Механические свойства материалов Определение Механические свойства материалов

Механические свойства материалов

Определение Механические свойства материалов - это совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала под воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм 2 или Мн/м 2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс×м/см 2 или Мдж/м 2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл).

Механические свойства материалов определяют поведение конструкций под действием внешних нагрузок. Последние вызывают разрушение либо деформацию материалов. Сопротивление материалов механическому разрушению характеризуется их прочностными свойствами: прочностью, твердостью, истираемостью, сопротивлением удару, износом. Способность материалов изменять под нагрузкой форму и размеры характеризуется деформационными свойствами: упругостью, пластичностью, хрупкостью и ползучестью.

Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после снятия нагрузки, которая вызвала эти изменения. Наибольшее напряжение, до которого в материале возникают только упругие деформации, называют пределом упругости.

Закон Гука Сила упругости пропорциональна деформация тела и направлена в сторону, противоположную деформации Fупр = −kx где х − изменение длины тела, k − коэффициент пропорциональности (также называемый коэффициентом упругости(жесткости)), зависящий от материала тела, его размеров и формы. Знак минус явно указывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную деформации

Закон Гука В физике закон Гука для деформации растяжения или сжатия принято записывать в другой форме. Отношение ε = x / l называется относительной деформацией, а отношение σ = F / S = –Fупр / S, где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. Тогда закон Гука можно сформулировать так: относительная деформация ε пропорциональна напряжению σ. ε = σ/ E Коэффициент E в этой формуле называется модулем Юнга. Модуль Юнга зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы (пластической деформации) при действии внешних нагрузок. Мерой прочности материала является предел прочности - наибольшее напряжение, соответствующее нарастающей нагрузке, при которой образец материала разрушается. В зависимости от характера приложения нагрузки F и вида возникающих напряжений различают прочность на сжатие, растяжение, изгиб, скалывание (срез). Прочность материала зависит от его структуры, пористости, влажности, дефектов строения, температуры, состояния поверхности и других факторов. В зависимости от того, как материалы ведут себя под нагрузкой, их делят на: n пластичные (углеродистые стали, алюминий, медь); n хрупкие (бетон, природные камни, чугун и др. ).

Твердость Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора). Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов. n Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости. n Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу. n При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

Шкала Мооса

Твердость а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

Твердость При измерении твердости по Шору используется принцип, отличный от рассмотренных ранее. Твердость оценивают по величине упругой, а не пластической деформации. На поверхность объекта с высоты Н падает специальный боек. Высота отскока бойка, определяемая величиной упругой деформации, тем больше, чем выше твердость материала.

Пластичность – свойство твердого материала изменять форму и размеры под действием нагрузки без разрушения, а также восстанавливать их после прекращения воздействия. Пластическая (остаточная) деформация, не исчезающая после снятия нагрузки, называется необратимой. Абсолютно упругих или абсолютно пластичных материалов нет: в той или иной степени каждый материал проявляет упругие или пластичные свойства. В большей степени к упругим материалам относятся природные и искусственные каменные материалы, стекло, сталь; к пластичным – глина, битум (при положительных температурах), некоторые виды пластмасс, бетонные и растворные смеси до затвердевания.

Хрупкость – свойство твёрдого материала под действием нагрузки внезапно разрушаться без предварительной остаточной деформации. Хрупкое разрушение трудно предусмотреть, так как его внешние признаки при малых деформациях практически не заметны.

Ударная вязкость (сопротивление удару) – свойство, характеризующее сопротивление материала разрушению или деформированию при ударе. На разрушение образца затрачивается работа: A=P(H-h) где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара. Характеристикой вязкости является удельная работа разрушения: an=A/F 0 где: F 0 - площадь поперечного сечения в месте надреза.

Истираемость – свойство материалов уменьшаться в объеме и массе под действием истирающих усилий. Сопротивление истиранию определяют для материалов, которые в процессе эксплуатации подвергаются истирающему воздействию. Стойкость к истиранию имеет большое значение для материалов, применяемых для покрытий полов, лестничных ступеней, дорожных покрытий. Истираемость (И) вычисляют по формуле: где m, m 1 – масса образца соответственно до и после испытания, г; S – площадь истираемой поверхности, см 2. Сопротивление материала истиранию определяют на круге истирания с подсыпанием абразивных порошков - наждака или кварцевого песка.

Ковкость — способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка). Ковкость характеризуется двумя показателями — пластичностью, то есть способностью металла подвергаться деформации под давлением без разрушения, и сопротивлением деформации. У ковких металлов (сталь, латунь, дюралюминий и некоторые другие медные, алюминиевые, магниевые, никелевые сплавы) относительно высокая пластичность сочетается с низким сопротивлением деформации.