Механические свойства
Механические свойства
Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение [1]. Способность материала противостоять разрушению называется прочностью, а его способность сопротивляться деформациям – жесткостью. Количественной мерой деформации являются относительное увеличение или уменьшение размеров.
Механические свойства проводников характеризуются пределами прочности при растяжении (sр, Мпа), сжатии (sс, Мпа), изгибе и кручении; относительным удлинением перед разрывом (Q, %) и хрупкостью. Твердость материала обычно оценивается по шкале Бриннеля (НВ, Мпа). Кроме указанных, для неметаллических материалов должны рассматриваться такие механические свойства, как упругость, текучесть и вязкость [1-3].
Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил не разрушаясь. Прочность оценивается для большинства материалов величиной предела прочности при растяжении: 
, где Р – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается; F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца материала в квадратных метрах (м2). Таким образом, значение sр определяется в Па или МПа.
Показатель прочности и удлинения при растяжении широко используется при оценке механических свойств металлов, пластмасс, резины, тканей, нитей и др.
Для некоторых материалов, например для чугуна, стекла, имеющих сравнительно низкую прочность на растяжение, применяют показатель прочности на сжатие, измеряемый аналогичными показателями. Так, например, прочность пластмасс и стекла на сжатие в 15-20 раз больше, чем на растяжение, и сопоставима с прочностью на растяжение стали (до 100 Мпа).
Твердость – это способность материалов сопротивляться вдавливанию в них какого-либо тела. Этот показатель имеет особое значение для металлов. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бриннеля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно НВ и HRC. По Бриннелю определяют твердость сырых (термически не обработанных) металлов, по Роквеллу – твердых закаленных изделий, например режущих инструментов.
Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Высокой упругостью, например, должна обладать сталь для различных пружинящих инструментов.
Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его первоначального поперечного сечения называется пределом упругости. Таким образом, предел упругости sу измеряется так же, как и предел прочности (в МПа). Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.
Изменение деформации во времени при постоянной нагрузке называется ползучестью. Если после снятия нагрузки по истечении некоторого времени деформация исчезает полностью, то такое последействие называется упругим.
Рекомендуемые материалы
При воздействии циклических нагрузок на материалы и конструкции разрушение может наступить при напряжениях, меньших предела упругости.
Процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению, называют усталостью. При циклически изменяющихся напряжениях прочность материала характеризуют пределом выносливости – наибольшим напряжением, при котором образец не разрушается при любом большом числе циклов. Величина предела выносливости зависит как от свойств материала, так и от характера изменения напряжений во времени, от состояния поверхности элемента конструкции и наличия в ней концентраторов напряжений.
Природа усталостного разрушения обусловлена особенностями строения материала. При этом структурные неоднородности и местные неравномерности в распределении внутренних сил являются определяющими. С ростом внешних сил число очагов пластической деформации и микротрещин возрастает. В предельном состоянии этот процесс приобретает лавинообразный характер. Усталостное разрушение представляет собой процесс, состоящий из двух фаз. Первая фаза – образование заметной микротрещины, вторая – развитие микротрещины и разрушение образца.
Жесткость – способность элемента конструкции сопротивляться образованию деформаций. Устойчивость – способность конструкции противостоять воздействиям, стремящимся вывести ее из исходного состояния равновесия.
Вязкость – это способность материалов не разрушаться при действии на них ударных нагрузок. Вязкость характеризует скорость процесса деформации материала под действием растягивающей силы. Вязкость также определяется как свойство твердых тел необратимо превращать теплоту в механическую энергию, сообщенную телу в процессе его деформации.
Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам; определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м2) в месте надреза.
Вместе с этой лекцией читают "Специальные хозяйства".
Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затраченная на излом.
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.
Вязкость жидкостей и газов – свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Динамическая вязкость – количественная характеристика сопротивления жидкости или газа смещению одного слоя относительно другого. Единица измерения динамической вязкости МПа'с. Кинематическая вязкость – отношение динамической вязкости к плотности жидкости. Единица измерения кинематической вязкости мм2/с.
Пластичность – это способность материалов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение. При нагревании пластичность металлов, стекла, ряда пластмасс возрастает, а прочность уменьшается. Эти свойства материалов используют для придания им нужной формы методами ковки, прессования, штамповки, прокатки.
Хрупкость – это способность материалов под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться. Хрупкость – свойство, противоположное пластичности. Хрупкими являются стекло, чугун, некоторые пластмассы, например полистирол. Для хрупких материалов величина удлинения перед разрывом не превышает 2-5 %, а иногда измеряется долями процента. Большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузки – свойство пластичности.
Ряд неметаллических материалов, таких как резина, пластмассы, имеет склонность к старению, т.е. к изменению (снижению) прочности с течением времени под влиянием различных факторов внешней среды. Так, под воздействием солнечной радиации, озона, изменения температуры ускоряется процесс ухудшения механических свойств резины и ряда пластмасс. Старение металлов и сплавов происходит в течение гораздо более длительного времени и обусловлено особенностями взаимодействия с окружающей средой. Несомненно, механические свойства материалов важны при использовании их в любой конструкции.
