Механічні властивості матеріалів, сукупність показників, що характеризують опір матеріалу віз навантаженню, що діє на нього, його здатність деформуватися при цьому, а також особливості його поведінки в процесі руйнування. Відповідно до цього М. с. м. вимірюють напругою (зазвичай в кгс/мм 2 або Мн/м 2 ) , деформаціями (у %), питомою роботою деформації і руйнування (зазвичай в кгс × м/см 2 або Мдж/м 2 ), швидкістю розвитку процесу руйнування при статичному або повторному навантаженні (найчастіше в мм за 1 сік або за 1000 циклів повторень навантаження, мм/кцикл ) . М. с. м. визначаються при механічних випробуваннях зразків різної форми.
В загальному випадку матеріали в конструкціях можуть піддаватися самим різним по характеру навантаженням ( мал. 1 ): працювати на розтягування, стискування, вигин, кручення, зріз і так далі або піддаватися спільній дії декількох видів навантаження, наприклад розтягуванню і вигину. Також всілякі умови експлуатації матеріалів і по температурі, довкіллю, швидкості додатка навантаження і закону її зміни в часі. Відповідно до цього є багато показників М. с. м. і багато методів механічних випробувань. Для металів і конструкційних пластмас найбільш поширені випробування на розтягування, твердість, ударний вигин; крихкі конструкційні матеріали (наприклад, кераміку, металокераміку) часто випробовують на стискування і статичний вигин; механічні властивості композиційних матеріалів поважно оцінювати, крім того, при випробуваннях на зрушення.
Діаграма деформації. Прикладене до зразка навантаження викликає його деформацію . Співвідношення між навантаженням і деформацією описуються т.з. діаграмою деформації ( мал. 2 ). Спочатку деформація зразка (при розтягуванні — приріст довжини D l ) пропорційна зростаючому навантаженню Р , потім в точці n ця пропорційність порушується, проте для збільшення деформації необхідне подальше підвищення навантаження Р ; при D l > D l в деформація розвивається без додатка зусилля ззовні, при поступово падаючому навантаженні. Вигляд діаграми деформації не міняється, якщо по осі ординат відкладати напруга
а по осі абсцис — відносне подовження
( F 0 і l 0 — відповідно початкова площа поперечного перетину і розрахункова довжина зразка).
Опір матеріалів вимірюється напругою, що характеризує навантаження, що доводиться на одиницю площі поперечного перетину зразка
в кгс/мм 2 . Напруга
при якому порушується пропорційний навантаженню зростання деформації, називається межею пропорційності. При навантаженні Р < Р n розвантаження зразка приводить до зникнення деформації, що виникла в нім під дією докладеного зусилля; така деформація називається пружною. Невелике перевищення навантаження відносно Р n може не змінити характеру деформації — вона як і раніше збереже пружний характер. Найбільше навантаження, яке витримує зразок без появи залишкової пластичної деформації при розвантаженні, визначає межу пружності матеріалу:
В конструкційних неметалічний матеріалів (пластмаси, гуми) прикладене навантаження може викликати пружну, високоеластичну і залишкову деформації. На відміну від пружної, високоеластична деформація зникає не відразу після розвантаження, а з часом. Високоміцні армовані полімери (склопластики, вуглепластики і ін.) руйнуються при подовженні 1—3%. На останніх стадіях вантаження в деяких армованих полімерів з'являється високоеластична деформація. Високоеластичний модуль нижчий за модуль пружності, тому діаграма деформації в цьому випадку має тенденцію відхилятися до осі абсцис.
Пружні властивості. В пружної області напруга і деформація зв'язані коефіцієнтом пропорційності. При розтягуванні s = Еd, де Е — т.з. модуль нормальній пружності, чисельно рівний тангенсу кута нахилу прямолінійної ділянки кривою s = s(d) до осі деформації ( мал. 2 ). При випробуванні на розтягування циліндрового або плоского зразка одноосному (s 1 >0; (s 2 = s 3 = 0) напруженому стану відповідає тривісний деформований стан (приріст довжини у напрямі дії прикладених сил і зменшення лінійних розмірів в двох інших взаємно перпендикулярних напрямах): d 1 >0; d 2 = d 3 < 0. Співвідношення між поперечною і подовжньою деформацією (коефіцієнт Пуассона)
в межах пружності для основних конструкційних матеріалів вагається в досить вузьких межах (0,27—0,3 для сталей, 0,3—0,33 для алюмінієвих сплавів). Коефіцієнт Пуассона є одній з основних розрахункових характеристик. Знаючи m і Е , можна розрахунковим дорогою визначити і модуль зрушення
і модуль об'ємної пружності
Для визначення Е, G , і m користуються тензометрами .
Опір пластичній деформації. При навантаженнях Р > Р в поряд зі все зростаючою пружною деформацією з'являється помітна необоротна, не зникаюча при розвантаженні пластична деформація. Напруга, при якій залишкова відносна деформація (при розтягуванні — подовження) досягає заданої величини (по ГОСТ(державний загальносоюзний стандарт) — 0,2 %), називається умовною межею текучості і позначається
Практично точність сучасних методів випробування така, що s п і s е визначають із заданими допусками відповідно на відхилення від закону пропорційності [збільшення ctg(90 — а) на 25—50 %] і на величину залишкової деформації (0,003—0,05 %) і говорять про умовні межі пропорційності і пружності. Крива розтягування конструкційних металів може мати максимум (крапка в на мал. 2 ) або обриватися досягши найбільшого навантаження Р в ’ . Відношення
характеризує тимчасовий опір (межа міцності) матеріалу. За наявності максимуму на кривій розтягування в області навантажень, лежачих на кривій лівіше в , зразок деформується рівномірно по всій розрахунковій довжині l 0 , поступово зменшуючись в діаметрі, але зберігаючи початкову циліндрову або призматичну форму. При пластичній деформації метали зміцнюються, тому, не дивлячись на зменшення перетину зразка, для подальшої деформації потрібно прикладати все зростаюче навантаження. s в , як і умовні s 0,2 , s n і s е , характеризує опір металів пластичній деформації. На ділянці діаграми деформації правіше у форма розтягуваного зразка змінюється: настає період зосередженої деформації, що виражається в появі «шийки». Зменшення перетину в шийці «обганяє» зміцнення металів, що і обумовлює падіння зовнішнього навантаження на ділянці Р в — P до .
В багатьох конструкційних матеріалів опір пластичної деформації в пружно-пластичної області при розтягуванні і стискуванні практично однаково. Для деяких металів і сплавів (наприклад, магнієві сплави, високоміцні стали) характерні помітні відмінності по цій характеристиці при розтягуванні і стискуванні. Опір пластичній деформації особливий часто (при контролі якості продукції, стандартності режимів термічної обробки і в ін. випадках) оцінюється за результатами випробувань на твердість шляхом втискування твердого наконечника у формі кульки (твердість по Брінеллю або Роквеллу), конуса (твердість по Роквеллу) або піраміди (твердість по Віккерсу). Випробування на твердість не вимагають порушення цілісності деталі і тому є наймасовішим засобом контролю механічних властивостей. Твердість по Брінеллю (HB) при втискуванні кульки діаметром D під навантаженням Р характеризує середню стискуючу напругу, що умовно обчислюється на одиницю поверхні кульового відбитку діаметром d :
Характеристики пластичності. Пластичність при розтягуванні конструкційних матеріалів оцінюється подовженням
або звуженням
при стискуванні — укороченням
(де h 0 і h до — початкова і кінцева висота зразка), при крученні — граничним кутом закручування робочої частини зразка Q, рад або відносним зрушенням g = Q r (де r — радіус зразка). Кінцева ордината діаграми деформації (точка до на мал. 2 ) характеризує опір руйнуванню металу S до , яке визначається
( F до — фактична площа в місці розриву).
Характеристики руйнування. Руйнування відбувається не миттєво (у точці до ), а розвивається в часі, причому почало в руйнування може відповідати якійсь проміжній крапці на ділянці вк , а весь процес закінчуватися при поступово падаючому до нуля навантаженні. Положення крапки до на діаграмі деформації в значній мірі визначається жорсткістю випробувальної машини і іннерционностью вимірювальної системи. Це робить величину S до великою мірою умовною.
Багато конструкційних металів (стали, у тому числі високоміцні, жароміцні хромонікелеві сплави, м'які алюмінієві сплави і ін.) руйнуються при розтягуванні після значної пластичної деформації з утворенням шийки. Часто (наприклад, у високоміцних алюмінієвих сплавів) поверхня руйнування розташовується під кутом зразковий 45° до напряму розтягуючого зусилля. За певних умов (наприклад, при випробуванні холодноламких сталей в рідкому азоті або водні, при дії розтягуючої напруги і корозійного середовища для металів, схильних до корозії під напругою) руйнування відбувається по перетинах, перпендикулярних розтягуючій силі (прямий злам), без макропластичної деформації.
Міцність матеріалів, що реалізовується в елементах конструкцій, залежить не лише від механічних властивостей самого металу, але і від форми і розмірів деталі (т.з. ефекти форми і масштабу), пружної енергії, накопиченої в навантаженій конструкції, характеру навантаження (статична, динамічна, така, що періодично змінюється по величині), що діє, схеми додатка зовнішніх сил (розтягування одноосне, двухосноє, з накладенням вигину і ін.), робочої температури, довкілля. Залежність міцності і пластичності металів від форми характеризується т.з. чутливістю до надрізу, що оцінюється зазвичай по відношенню меж міцності надрізаного і гладкого зразків
(в циліндрових зразків надріз зазвичай виконують у вигляді кругової виточки, в смуг — у вигляді центрального отвору або бічних вирізів). Для багатьох конструкційних матеріалів це відношення при статичному навантаженні більше одиниці, що пов'язане із значною місцевою пластичною деформацією у вершині надрізу. Чим гостріше надріз, тим менше локальна пластична деформація і тим більше доля прямого зламу в зруйнованому перетині. Добре розвинений прямий злам можна отримати при кімнатній температурі у більшості конструкційних матеріалів в лабораторних умовах, якщо розтягуванню або вигину піддавати зразки масивного перетину (тим товще, чим пластічнєє матеріал), забезпечивши ці зразки спеціальним вузьким прорізом з штучно створеною тріщиною ( мал. 3 ). При розтягуванні широкого, плоского зразка пластична деформація утруднена і обмежується невеликою областю розміром 2 r в (на мал.(малюнок) 3 , би заштрихована), тріщини, що безпосередньо примикає до кінчика. Прямий злам зазвичай характерний для експлуатаційних руйнувань елементів конструкцій.
Широкого поширення набули запропоновані американським ученим Дж. Р. Ірвіном як константи для умов крихкого руйнування такі показники, як критичний коефіцієнт інтенсивності напруги при плоскій деформації K 1c і в'язкість руйнування
При цьому процес руйнування розглядається в часі і показники K 1c ( G 1c ) відносяться до того критичного моменту, коли порушується стійкий розвиток тріщини; тріщина стає нестійкою і поширюється мимоволі, коли енергія, необхідна для збільшення її довжини, менше енергії пружної деформації, що поступає до вершини тріщини з сусідніх пружно напружених зон металу.
При призначенні товщини зразка t і розмірів тріщини 2 l тр виходять з наступної вимоги
Коефіцієнт інтенсивності напруги До враховує не лише значення навантаження, але і довжину рухомої тріщини:
(l враховує геометрію тріщини і зразка), виражається в кгс/мм 3/2 або Мн/м 3/2 . По K 1c або G 1c можна судити про схильність конструкційних матеріалів до крихкого руйнування в умовах експлуатації.
Для оцінки якості металу вельми поширені випробування на ударний об вигин призматичних зразків, що мають на одній стороні надріз. При цьому оцінюють ударну в'язкість (у кгс × м/см 2 або Мдж/м 2 ) — роботу деформації і руйнування зразка, умовно віднесену до поперечного перетину в місці надрізу. Широкого поширення набули випробування на ударний вигин зразків з штучно отриманою в підставі надрізу тріщиною втоми. Робота руйнування таких зразків а ту знаходиться в цілому в задовільній відповідності з такою характеристикою руйнування, як K 1c , і ще краще з відношенням
Тимчасова залежність міцності. Із збільшенням часу дії навантаження опір пластичній деформації і опір руйнуванню знижуються. При кімнатній температурі в металів це стає особливо помітним при дії корозійної (корозія під напругою) або ін. активного (ефект Ребіндера) середовища. При високих температурах спостерігається явище повзучість, тобто приросту пластичної деформації з часом при постійній напрузі ( мал. 4 , а). Опір металів повзучості оцінюють умовною межею повзучості — найчастіше напругою, при якій пластична деформація за 100 ч досягає 0,2 %, і позначають його s 0,2/100 . Чим вище температура t , тим сильніше виражено явище повзучості і тим більше знижується в часі опір руйнуванню металу ( мал. 4 , би) . Останню властивість характеризують т.з. межею тривалої міцності, тобто напругою, яка при даній температурі викликає руйнування матеріалу за заданий час (наприклад, s t 100 , s t 1000 і т. д.). В полімерних матеріалів температурно-тимчасова залежність міцності і деформації виражена сильніше, ніж в металів. При нагріві пластмас спостерігається високоеластична оборотна деформація; починаючи з деякої вищої температури розвивається необоротна деформація, пов'язана з переходом матеріалу у в'язкотекучий стан. З повзучістю зв'язано і ін. важлива механічна властивість матеріалів — схильність до релаксації напруги, тобто до поступового падіння напруги в умовах, коли загальна (пружна і пластична) деформація зберігає постійну задану величину (наприклад, в затягнутих болтах). Релаксація напруги обумовлена збільшенням долі пластичною складовою загальної деформації і зменшенням її пружної частини.
Якщо на метал діє навантаження, періодично змінне по якому-небудь закону (наприклад, синусоїдальному), то із збільшенням числа циклів N навантаження його міцність зменшується ( мал. 4 , в) — метал «втомлюється». Для конструкційної сталі таке падіння міцності спостерігається до N = (2—5) ×10 6 циклів. Відповідно до цього говорять про межу втоми конструкційної сталі, розуміючи під ним зазвичай амплітуду напруги
нижче за яку сталь при повторно-змінному навантаженні не руйнується. При |s min | = |s max | межу втоми позначають символом s -1 . Криві втоми алюмінієвих, титанових і магнієвих сплавів зазвичай не мають горизонтальної ділянки, тому опір втомі цих сплавів характеризують т.з. обмеженими (відповідними заданому N ) межами втоми. Опір втомі залежить також від частоти додатка навантаження. Опір матеріалів в умовах низької частоти і високих значень повторного навантаження (повільна, або малоциклова, втома) не пов'язаний однозначно з межами втоми. На відміну від статичного навантаження, при повторно-змінних навантаженнях завжди виявляється чутливість до надрізу, тобто межа втоми за наявності надрізу нижча за межу втоми гладкого зразка. Для зручності чутливість до надрізу при втомі виражають відношенням
характеризує асиметрію циклу). В процесі уставанія можна виділити період, передуючий утворенню осередку втомного руйнування, і наступний за ним, інколи досить тривалий, період розвитку тріщини втоми. Чим повільніше розвивається тріщина, тим надійніше працює матеріал в конструкції. Швидкість розвитку тріщини втомі dl/dn пов'язують з коефіцієнтом інтенсивності напруги статечною функцією:
Розрізняють опір термічній втомі, коли напруга, що з'являється в матеріалі, обумовлена тим, що через ті або інші причини, наприклад із-за форми деталі або умов її закріплення, що виникають при циклічній зміні температури теплові переміщення не можуть бути реалізовані. Опір термічній втомі залежить і від багатьох інших властивостей матеріалу — коефіцієнтів лінійного розширення і температуропровідності, модуля пружності, межі пружності і ін.
Літ.: Давіденков Н. Н., Динамічні випробування металів, 2 видавництва, Л. — М., 1936; Ратнер С. І., Руйнування при повторних навантаженнях, М., 1959; Серенсен С. Ст, Когаєв Ст П., Шнейдеровіч Р. М., що Несе здатність і розрахунки деталей машин на міцність, 2 видавництва, М., 1963; Прикладні питання в'язкості руйнування, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1968; Фрідман Я. Б., Механічні властивості металів, 3 видавництва, М., 1974; Методи випробування, контролю і дослідження машинобудівних матеріалів, під ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974.
