МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Почти все окружающие нас предметы несут механическую нагрузку — стул, на котором мы сидим, стол, на который облокотились, гвоздь, которым прибита к стене книжная полка, сама стена, весь каркас нашего дома, его фундамент и участок земли, на котором он стоит. Это все — нагрузки, действующие постоянно или прикладываемые медленно.

Если же взять двигатель автомобиля, то, как известно, на поршень действует взрывная сила давления со стороны газов, с огромной скоростью сгорающих в цилиндре. Поршень через шатун передает нагрузку на коленчатый вал, который, таким образом, оказывается под действием циклически изменяющихся сил.

В современной технике основные конструкционные материалы — металлы и сплавы. Более 90% от общего количества производимого человеком металла используется именно потому, что металлы обладают особым сочетанием механических свойств — хорошо сопротивляются нагрузкам. Лишь остальная, малая часть металлов находит применение в силу их высокой электропроводности, теплопроводности, магнитных свойств и др.

Под действием нагрузки материалы деформируются — изменяются размеры и формы деталей. Наука о механических свойствах устанавливает связь между напряжением σ и деформацией ε.

Напряжение равно отношению величины приложенной силы F к площади S поперечного сечения изделия: σ=F/S. Толстый канат может выдержать вес лифта с пассажирами, а тонкую проволочку из того же материала можно порвать руками; чтобы охарактеризовать свойства самого материала, нужно указать напряжение, которое его разрывает, и эта характеристика уже не будет зависеть от толщины изделия. Размерность напряжения — Н/м2 (Па — паскали). Деформация е — это безразмерная величина, равная отношению изменения размера изделия ∆l к исходному размеру l0:ε = ∆l/l0. Длинный стержень и короткая проволока из одного материала порвутся при равных ε.

Связь между σ и ε определяют путем испытания образцов с помощью специальных машин. Самый распространенный метод механических испытаний — испытание на растяжение, когда образцы с головками (рис. 1) зажимают в захватах машины и растягивают с нарастающей нагрузкой до разрыва. Приборы записывают изменение длины образца при каждом значении нагрузки, а затем, определив напряжение и удлинение, можно построить диаграмму деформации (рис. 2).

Важнейшие механические свойства материалов — их прочностные характеристики, упругость и пластичность.

На первом участке диаграммы металл деформируется упруго. Напряжение, соответствующее концу этого участка, σупр называется пределом упругости. Если напряжение не превышало σупр, то линия разгрузки следует прямой АO, и исходные размеры изделия восстанавливаются. Линейная связь между σ и ε в пределах упругой области (σ=Еε) установлена английским естествоиспытателем Р. Гуком еще в XVII в. Константу Е называют модулем упругости. Для многих металлов Е имеет порядок 104 -4- Ю5 МПа, а аупр — порядок 104 ÷ 105 МПа, поэтому σупр — это обычно десятые доли процента. Есть, правда, особые сплавы, которые выдерживают огромные упругие деформации — на два порядка больше, чем обычные металлы. Это явление называют сверхупругостью, а поведение таких сплавов при нагружении и разгрузке напоминает поведение резины.

У всех других материалов, если напряжение превысило σупр, начинается пластическая деформация. Линия разгрузки на рис. 2, согласно закону Гука, идет параллельно АO, и упругая деформация исчезает, но уже появляются остаточные изменения размеров (εост). В технике остаточные деформации деталей чаще всего недопустимы, поэтому σупр — это одна из основных прочностных характеристик. Другая основная характеристика прочности — σв — предел прочности (или временное сопротивление); это наибольшее напряжение, которое может выдержать материал. Если напряжение превысит σв, материал разрушается. У лучших сортов стали σупр превышает 103 МПа, σв — 3•103 МПа.

Предельная деформация εразр, которую материал может выдержать без разрушения, определяется его пластичностью. Чем больше пластичность материала, тем легче придать ему сложную форму на стадии изготовления деталей. Если εразр=10%, то пластичность считается уже довольно высокой, а пластину из материала, имеющего εразр=50%, можно согнуть и сплющить до соприкосновения ее сторон (рис. 3).

Пластическая деформация происходит путем взаимных сдвигов соседних слоев материала, причем эти сдвиги имеют необратимый характер, т. е. деформация сохраняется после разгрузки (рис. 4). Теперь есть только один способ вернуть материал к исходной форме — пластически деформировать его в противоположном направлении. Однако те же сплавы, которые проявляют сверхупругость, можно обработать так, что они будут «запоминать» форму. Пластическая деформация таких сплавов (если она не превышает примерно 10%) исчезает при нагревании без всякого участия внешних сил — восстанавливается прежняя форма изделия.

Пластические деформации (сдвиги) связаны с движением дефектов кристаллической решетки (см. Дислокации). Выращенные особым способом, очень тонкие кристаллы («усы») имеют почти идеальное кристаллическое строение и практически не содержат дислокаций. Они не способны к пластической деформации, а их прочность бывает в 100 раз выше, чем у самой прочной стали. С другой стороны, имеется возможность многие сплавы привести в так называемое сверхпластичное состояние, когда они при очень низких напряжениях текут, подобно разогретому стеклу. В этом случае εразр составляет тысячи процентов — из металла можно изготовить такие же ажурные изделия, какие делают стеклодувы.

Когда дислокации в материале не могут легко двигаться, он становится хрупким и разрушается без заметной остаточной деформации. Чем больше пластичность, тем более надежен материал в эксплуатации, тем меньше опасность неожиданных хрупких разрушений, имеющих часто катастрофические последствия. Так разрушаются иногда корпуса кораблей, самолетов и ракет. Это происходит в результате роста трещин, которые могут за несколько секунд пробежать десятки километров.

Как видно, механические свойства материалов изменяются в очень широких пределах. Даже у одного и того же сплава в зависимости от способа его обработки и ряда других условий (температуры, скорости приложения нагрузки) прочность и пластичность различаются на несколько порядков. Если же взять всю совокупность конструкционных материалов — металлических и неметаллических, то вместе они охватывают огромный диапазон механических характеристик. В связи с этим одно из современных направлений в материаловедении — создание искусственных композиций из разнородных материалов. Распространенный вид композиционных материалов — это легкая и пластичная основа (например, смола), в которой размещены тонкие волокна очень прочного вещества («усы»). Такой «сборный» материал как бы суммирует преимущества каждого из компонентов, а их недостатки сглаживает.