Механические свойствоа материалов

1 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

       Механические свойства материалов - совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. Для того чтобы установить, какими механическими свойствами обладает тот или иной материал, его подвергают механическим испытаниям с помощью специальных машин и приборов. Для производства механических испытаний из материалов с соблюдением всех технологических особенностей его получения изготавливают образцы определенного размера. На испытания различных материалов устанавливаются государственные стандарты. Результаты испытаний принято измерять определенными единицами с тем, чтобы полученные результаты было легко сопоставить. 
        В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс․м/см2 или Мдж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). М. с. м. определяются при механических испытаниях образцов различной формы. 

       В общем  случае материалы в конструкциях  могут подвергаться самым различным  по характеру нагрузкам: работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твердость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.    

 Параметры материалов определяют с помощью опытных измерений,используя специальные технические средства. Требования к исследуемым стандартным образцам материалов (например, масса, габаритные размеры, чистота поверхности и др.) устанавливаются соответствующими Государственными стандартами.

Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок.                           

        Основными показателями свойств материалов являются:

        - прочность;

        - твердость;

       - триботехнические  характеристики, параметры которых существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействий окружающих сред, и других факторов).

 Их параметры существенно зависят от формы, размеров и состояния поверхности образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействия окружающих сред и других факторов).

        Прочность - свойства материалов сопротивляется разрушению, а так же необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал.

         Если при растяжении образца сила внешнего воздействия на пару атомов превосходит силу их притяжения, то атомы будут удалятся друг от друга. Напряжение возникающее в материале и отвечающее силе межатомного притяжения, соответствует теоретической прочности. При возникновении в материале локального напряжения, превышающего теоретическую прочность, произойдет разрыв материала по этому участку. В результате образуется трещина. Рост трещин продолжается, пока в результате их слияния одна из трещин не распространится на все сечения образца, и не произойдет его разрушения.

        Деформирование - изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие , изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом деформация - изменение формы и размеров изделия или его частей в результат деформирования. Деформацию называют упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, или пластичной, если она не исчезает (необратима).

       Реальные материалы обладают технической прочностью, основные характеристики которой удобно рассмотреть с помощью диаграммы растяжения образца из пластичного материала (рис. 1).

            Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то  есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.

 Схема растяжения образца

        Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:

  1.воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)

   2.воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния   (пластическая деформация)

     3.разрушаться на пределе прочности

  Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.

          Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».

          Схема сжатия образца

          Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры. Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности.

          Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.

Схема сдвига образца

         Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.

Схема изгиба образца

        Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие.

        Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.

Схема кручения образца

        Предел упругости – напряжение, при котором остаточные деформации (т.е. деформации, обнаруживаемые при разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости σу ограничивает область упругих деформаций материала.

Предел текучести – напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме для материалов, разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация.

Прочие материалы характеризуют  условным пределом текучести – напряжением, при котором остаточная деформация достигает значения, установленного техническими условиями. Обычно остаточная деформация не превышает 0,2%. Отсюда и обозначение: σ0,2. Предел текучести является основной характеристикой прочности пластичных материалов.

Предел прочности  – напряжения или деформации, соответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают ав.

Предел прочности  – основная характеристика механических свойств хрупких материалов, т.е. материалов, которые разрушаются при малых пластических деформациях.

Правила определения характеристик  технической прочности материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах напряженного состояния  установлены государственными стандартами (ГОСТ).

Динамическая  прочность – сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление и точка приложения которых быстро изменяются во времени.

Усталость материалов – процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств материалов, образованию и разрастанию трещин. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью.

Ползучесть – непрерывное пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки. Любые твердые материалы в той или иной степени подвержены ползучести во всем диапазоне температур эксплуатации. Вредные последствия ползучести материалов особенно проявляются при повышенных температурах.

        Твердость – механическая характеристика материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Твердостью называется способность тела оказывать сопротивление при внедрении в его поверхность другого тела. Твердость— важная характеристика материала. Очень часто в зависимости от твердости материала судят о его способности сопротивляться износу. Чем тверже материал, тем меньше он изнашивается. 

 Она выражается сопротивлением  материала местному пластическому  деформированию, возникшему при  внедрении в материал более  твердого тела - индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, используя несколько методов:

        - вдавливание индентора;

        - динамические методы;

       - царапанье.    

        Вдавливание индентора  в образец с последующим измерением отпечатка является основным технологическим приемам при оценке твердости материалов.  В зависимости от способностей приложения нагрузки, конструкции инденторов и определения чисел твердости различают методы:

         - Бринелля;

         - Роквелла;

         - Виккерса.

        Для определения твердости с помощью специального пресса в поверхность образца вдавливается стальной шарик (метод Бринеля). При испытании более твердых материалов, когда стальной шарик может деформироваться, вдавливают алмазную пирамиду (способ Виккерса) или алмазный конус (способ Роквелла).

         Динамические методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделия. Распространен способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определением высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.

         Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов расположенных в порядке возрастания их твердости: тальк, гипс, кальцит, флюорит, апатит, ортоклаз, кварц, топаз, корунд, алмаз.  

        В  тех случаях, когда нельзя на  поверхности изделия оставлять  следов вдавливания, используют  способ упругой отдачи на приборе,  носящем название склероскопа  (определение твердости по Шору). Для определения твердости весьма тонких поверхностных слоев применяют особые приборы. В СССР пользуются микротвердометром, созданным Хрущевым и Берковичем. Испытание, носящее название определения микротвердости, состоит из вдавливания в материал алмазной пирамиды при небольших нагрузках от 5 до 200 г и измерения с помощью микроскопа диагонали отпечатка ее на поверхности материала (необходимым условием испытания является тщательная обработка поверхности материала).

        Часто  некоторые основные М. с. м.  оцениваются при испытаниях на  твердость. Благодаря местному  характеру нагружения, простоте и быстроте, испытания на твердость (б. ч. статические) широко применяются для измерения механических характеристик. М. с. м. при длительном статичном нагружении оцениваются при растяжении образца подвешенным (чаще через рычажную систему) грузом. Эти испытания важны для арматуры предварительно напряженного железобетона и особенно для сооружений, длительно работающих при повышенных температурах. Предел выносливости и других М. с. м., связанные с циклическим воздействием нагрузок, исследуют на специальных испытательных установках. Микромеханические методы определения свойств материалов проводятся на специальных микромашинах на очень малых образцах мм.) и позволяют оценить локальные свойства, например сварного шва, переходных зон и т. п. Коррозионно-механические  методы определения М. с. м. проводятся на специальных установках или приспособлениях и служат для оценки одновременного воздействия (коррозионного и механического).

        Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения.

        Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.

Основные  триботехнические характеристики материалов:

- износостойкость;

- прирабатываемость;

- коэффициент трения.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или к пути, на котором происходило изнашивание, представляет собой соответственно скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной, обратной скорости и интенсивности изнашивания.

Прирабатываемость – свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.

Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят от скорости скольжения, давления и твердости материалов трущихся поверхностей.

Триботехнические  характеристики материалов зависят  от следующих основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:

- внутренних, определяемых  природой материалов;

- внешних, характеризующих  вид трения (скольжение, качение);

- режима трения (скорость, нагрузка, температура);

- среды и вида смазочного  материала.

Совокупность  этих факторов обусловливает вид  изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др.

Основная причина всех видов изнашивания – работа сил  трения, под действием которых  происходит многократное деформирование поверхностных слоев трущихся тел, изменение их структуры, и т.д.

2 КОРОЗИЙНАЯ СТОЙКОСТЬ

Коррозия – физико-химический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей среды.

Под коррозионным повреждением понимают любой дефект структуры  материала, возникший в результате коррозии. Если механические воздействия  ускоряют коррозию материалов, а коррозия облегчает их механические разрушения, имеет место коррозионно-механическое повреждение материалов.

Электрохимическая коррозия – процесс взаимодействия материалов и окружающей среды посредством электродных реакций. Металлы наиболее подвержены этому виду коррозии вследствие высокой электрической проводимости и химической активности.

Коррозионное повреждение  различных участков материала может  быть неодинаковым. По характеру разрушения материалов различают равномерную  и местную коррозию. Последняя  возникает из-за химической или физической неоднородности среды, и материала  на отдельных участках поверхности  изделия.

С конструктивными особенностями  изделий связаны щелевая и  контактная коррозии. Первая протекает  внутри или в непосредственной близости от узкого отверстия или зазора в  конструкциях. Вторая вызвана контактированием металлов, различающихся по электродному потенциалу.

Для оценки сопротивления  материалов коррозии используют следующие  параметры:

- фронт коррозии – воображаемая поверхность, отделяющая поврежденный материал от неповрежденного;

- скорость коррозии  – это скорость продвижения ее фронта;

- техническая  скорость коррозии – ее наибольшая. скорость, вероятностью превышения которой нельзя пренебречь в конкретных условиях.

Сопротивление материалов коррозии характеризуют с помощью параметра коррозионной стойкости – величины, обратной технической скорости коррозии материала в данной коррозионной системе. Условность этой характеристики заключается в том, что она относится не к материалу, а в целом к коррозионной системе. Коррозионную стойкость материала нельзя изменить, не изменив других параметров коррозионной системы. Противокоррозионная защита – это изменение коррозионной системы, ведущее к снижению скорости коррозии материала.

3 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Параметры, отражающие изменение  свойств материалов в зависимости  от их температуры, являются одними из важнейших характеристик материалов. Стойкость материалов к повышенным температурам и нагрузкам в значительной степени определяет прогресс в автомобилестроении. Свойство материалов стабильно сохранять  комплекс эксплуатационных характеристик  при низких температурах влияет на работоспособность машин и оборудования, эксплуатируемых в условиях Севера. При осуществлении технологических  процессов (литье, ковка, сварка и др.) важное значение имеет температурное  изменение деформационно-прочностных  характеристик материалов.

Жаростойкость – когда механические параметры материалов сохраняются или незначительно изменяются при высоких температурах.

Жароупорность – свойство материалов противостоять коррозионному воздействию газов при высокой температуре.

В качестве характеристики жаростойкости легкоплавких материалов используют температуру размягчения, при которой изделие, нагреваемое  с установленной скоростью, под  действием постоянного изгибающего  момента деформируется на допустимую величину.

Для легкоплавких кристаллических  материалов (подобных воскам) характеристикой  жаростойкости служит температура  плавления.

Температура вспышки – температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с источником зажигания (например, электрический разряд). Если продолжить нагревание после вспышки, происходит воспламенение материала, когда к нему подносится открытое пламя. Температуру, при которой материал воспламеняется и после удаления внешнею источника зажигания продолжает гореть не менее 5 с, считают температурой воспламенения.

Жаропрочность – свойство материалов длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при высоких температурах, которые имеют место в двигателях внутреннего сгорания.

Хладноломкость – возрастание хрупкости материалов при понижении температуры. При низких температурах (н технике – от 0 до – 50°С) снижается пластичность и вязкость материалов, повышается склонность к хрупкому разрушению. При температурах ниже температурь! вязкого разрушения наступает переход к хрупкому и наблюдается резкое снижение ударной вязкости материала. О его пригодности к эксплуатации при низкой температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и Т50.

Температурное расширение материалов регистрируют по изменению размеров и формы при изменении температуры. Количественно тепловое расширение твердых материалов характеризуют  температурным коэффициентом линейного  расширения.

Теплопроводность – перенос энергии от более нагретых участков материала к менее нагретым. Эта величина обусловливает выравнивание температуры изделия.

Коэффициент температуропроводности является мерой теплоизоляционных  свойств материала.

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

        Технологические свойства материалов характеризуют восприимчивость материалов технологическим воздействием при переработке в изделия. Знание этих свойств позволяет рационально осуществлять процессы изготовления изделий.

Основными характеристиками материалов являются:

- обрабатываемость резанием;

- обрабатываемость давлением;

- литейные характеристики;

- свариваемость;

- склонность к короблению  при термической обработке и  другие.

Обрабатываемость  резанием характеризуют следующими показателями:

- качеством обработки  материалов – шероховатостью  обработанной поверхности и точностью  размеров;

- стойкостью режущего  инструмента;

- сопротивлением резанию  – скоростью и силой резания;

- видом стружкообразования. Обрабатываемость давлением определяют  в процессе технологических испытаний  (проб) материалов на пластическую  деформацию. Методы оценки обрабатываемости  давлением зависят от вида  материалов и технологии их  переработки.

Обрабатываемость давлением  порошковых материалов характеризует  их текучесть, уплотняемость и формуемость. Методы определения характеристик порошковых материалов установлены государственными стандартами.

Литейные характеристики материалов – совокупность технологических показателей, характеризующие формирование отливки путем заливки расплавленного материала в литейную форму.

Жидкотекучесть – свойство расплавленного материала заполнять литейную форму.

Литейная усадка – уменьшение объема расплава при переходе из жидкого состояния в твердое. Коэффициент усадки индивидуален для каждого вида материала.

Свариваемость – свойство материала образовывать сварное соединение, работоспособность которого соответствует качеству основного материала, подвергнутого сварке. О свариваемости судят по результатам испытания сварных образцов и характеристикам основного материала в зоне сварного шва.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Механические свойства материалов

2 .Корозийеая стойкость

3 .Температурные характеристики материалов

4 .Технологические свойства материалов

    Заключение

    Список использованной литературы

Список  использованной литературы

1. Вишневецкий Ю.Т, Материаловедение: Учебник для технических       

    колледжей. – М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К» 2006,  

    – 332 с.

2. Барташевич А.А., Бахар Л.М. Материаловедение: Учебное пособие. –

    Изд. 2-е. –Ростов-на-Дону: Феникс, 2005. – 348 с.

3. Давыдова И.С., Максина Е.Л., Материаловедение: Учебное пособие. –

    М.: Изд-во РИОР, 2006. – 240 с.

Размещено на Allbest.ru