5.6. Механические свойства материалов

На детали работающих машин воздействуют внешние силы или нагрузки P, в результате чего в твердых телах возникают деформации (рис. 5.10) и они могут разрушиться.

Деформация - изменение размеров или формы тела под действием внешних сил. Она возникает в результате смеще-ния атомов относительно положений равновесия.

Рис. 5.10. Виды деформаций: а – сжатие; б – растяжение;

в – кручение; г – срез; д – изгиб

Если после снятия нагрузки тело полностью восстанав-ливает свою форму и размеры, которые оно имело до на-гружения, то такая деформация называется упругой.

Если после прекращения действия нагрузки тело оста-ется в деформированном состоянии, то такая деформация называется пластической или остаточной.

Внутри деформируемого тела возникают силы сопро-тивления внешней нагрузке или внутренние силы. Для характеристики интенсивности возникающих внутренних сил введено понятие напряжения.

При растяжении стержня напряжения направлены па-раллельно растягивающей силе P, т.е. нормально к сечению стержня. Поэтому их называют нормальными напряжениями и обозначают буквой σ и рассчитывают как отношение величины действующей внешней нагрузки P к площади поперечного сечения растягиваемого стержня F (5.1):

. (5.1)

Эта формула позволяет нам вычислить напряжения, если известна растягивающая сила и размеры сечения стержня.

Механические свойства материалов характеризуют их

способность сопротивляться деформациям или разрушению под действием приложенных внешних сил.

Количественные характеристики механических свойств материалов определяются по результатам испытаний при статических, динамических и циклических нагрузках.

К механическим свойствам металлов и сплавов отно-сятся прочность; упругость, пластичность; твердость; ударная вязкость; циклическая вязкость; предел выносливости.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Оценивается преде­лом прочности σ_в и пределом текучести σ_т.

Упругость - способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки - оценивают пределом пропорциональности σ_пц и пределом упругости σ_уп.

Пластичность — это способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь. Характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растя­жение (рис. 5.11).

Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испы­таний получают диаграмму растяжения. Она представляет собой график зависимости между силой P, растягивающей образец, и соответствующим удлинением l∆ (рис. 5.12).

Рис. 5.11. Образцы для испытаний

на статическое растяжение

Рис. 5.12. Диаграмма растяжения P- l∆

Для определения механических характеристик материа-ла эту диаграмму перестраивают: все ординаты делят на начальную площадь поперечного сечения F₀ а все абсциссы на начальную расчетную длину образца l₀ в результате полу-чают так называемую условную диаграмму растяжения (рис. 5.13) в координатах: относительное удлинение ε, нормальное напряжение σ.

На диаграмме обозначены следующие механические характеристики:

Предел пропорциональности σ_пц - напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагае-мой нагрузкой и деформацией образца.

Предел упругости σ_уп - это напряжение, превышение которого приводит к появлению остаточной деформации ма-териала.

Предел текучести σ_т - это напряжение, соответствующее нагрузке, при которой образец деформируется без заметного дальнейшего увеличения прикладываемой силы.

Предел прочности σ_в (временное сопротивление) - это условное напря­жение, соответствующее наи­большей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Рис. 5.13. Истинная (2) и условная (1)

диаграмма растяжения

Большое значение на практике имеют такие характерис-тики как ударная и циклическая вязкость.

Ударная вязкость - это способность материала сопро-тивляться дина­мическим нагрузкам.

Циклическая вязкость - это способность материалов поглощать энер­гию при повторно-переменных нагрузках. Материалы с высокой цикли­ческой вязкостью быстро гасят вибрации, которые часто являются при­чиной преждевременного разрушения.

Твердость – это способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего тела.

Существуют различные методы определения твердости.

Рис. 5.14. Методы определения твердости:

а – по Бринеллю; б - по Роквеллу; в – по Виккерсу

Метод Бринелля. Под действием силы F в испытуемый материал внедряется шарик диаметром D (рис. 5.14, а). Число твердости обозначается буквами НВ и представляет отноше-ние силы F к площади отпечатка диаметром d.

Метод Роквелла. В поверхность испытуемого материа-ла вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной шарик малого диаметра. Число твердости НR обратно пропорционально глубине внедрения индентора (рис. 5.14, б).

В зависимости от шкалы прибора существуют следую-щие обозначения чисел твердости:

НRА, НRВ (для измерения мягких материалов),

НRС (для твердых материалов).

Метод Виккерса. Твердость HV определяется по диаго-нали отпечатка d от вдавливаемой алмазной пирамиды.