Механические свойства конструкционных материалов

При проведении инженерных расчетов на прочность, жесткость и устойчивость конструкций необходимо учитывать целый комплекс механических свойств конструкционных материалов. Эти свойства могут быть определены путем статических, динамических испытаний и при переменных нагрузках.

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относят испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и определение твердости.

Испытание на растяжение широкое распространены для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. Это вид испытания по результатам одного опыта позволяет установить сразу несколько важных механических характеристик металла или сплава, определяющих его качество и необходимых для конструкторских расчетов.

В процессе испытания на растяжение специальное устройство испытательной машины автоматически вычерчивает диаграмму, выражающую зависимость между растягивающей силой и абсолютным удлинением, т. е. в координатах (F, l). Для изучения механических свойств материала независимо от размеров образца применяется диаграмма в координатах «напряжение-относительное удлинение». Эти диаграммы отличаются друг от друга лишь масштабами. Испытание конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов на растяжение по результатам одного опыта позволяет установить сразу несколько важных механических характеристик металла или сплава, определяющих его качество и необходимых для конструкторских расчетов.

Предел прочности является основной механической характеристикой при оценке прочности хрупких материалов;

D — напряжение, возникающее в образце в момент разрыва во всех поперечных сечениях, кроме сечений шейки;

М — напряжение, возникающее в наименьшем поперечном сечении шейки в момент разрыва. Это напряжение можно назвать напряжением разрыва.

Для большинства сталей предел пропорциональности можно приблизительно считать равным половине временного сопротивления.

Диаграмма сжатия стали до предела текучести совпадает с диаграммой растяжения, причем результаты испытаний сталей на растяжение и сжатие равноценны.

Результаты испытаний на растяжение и сжатие чугуна значительно отличаются друг от друга; предел прочности при растяжении в 3…5 раз ниже, чем при сжатии. Иными словами, чугун значительно хуже работает на растяжение, чем на сжатие.

Для пластичных материалов, диаграммы растяжения которых не имеют ярко выраженной площадки текучести (средне и высокоуглеродистые, легированные стали) или совсем ее не имеют (медь, дюралюминий), вводится понятие условного предела текучести — напряжения, при котором относительное остаточное удлинение образца равно 0,2%. Условный предел текучести также обозначим _т (иногда его обозначают _0,2).

Следует отметить, что деление материалов на пластичные и хрупкие условно, так как в зависимости от характера действующей нагрузки хрупкий материал может получить пластические свойства и, наоборот, пластичный материал приобретает свойства хрупкого. Так, например, деталь из пластичного материала при низкой температуре или при ударной нагрузке разрушается без образования шейки, как хрупкая.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

Существует несколько способов измерения твердости, различающихся по характеру воздействия наконечника. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (способ вдавливания), царапанием поверхности (способ царапания), ударом или же по отскоку наконечника — шарика. Твердость, определенная царапанием, характеризует сопротивление разрушению (для большинства металлов путем среза); твердость, определенная по отскоку, характеризует упругие свойства; твердость, определенная вдавливанием, — сопротивление пластической деформации.