Свойства материалов

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергаются воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (знакопеременными).

В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза) и условий воздействия (температуры, скорости, периодичности и времени приложения) материалы принято характеризовать различными мерами сопротивления их деформации и разрушению – характеристиками механических свойств.

Механические свойства могут быть разделены на три основные группы. Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при однократном кратковременном нагружении. К ним относятся упругие свойства: модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига и коэффициент Пуассона µ.

Сопротивление малым упругопластическим деформациям определяется пределами упругости – σ_УПР, пропорциональности – σ_пц и текучести – σ_0,2.

Предел прочности – σ_В, сопротивление срезу – τ_ср и сдвигу – τ_сдв, твердость вдавливанием (по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу) и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина L_Р являются характеристиками материала в области больших деформаций вплоть до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ после разрыва, а способность к деформации ряда неметаллических материалов – удлинением при разрыве δ_Р.

Кроме того, при ударном изгибе определяется ударная вязкость образца с надрезом КСU (KCV, KCT).

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление материалов переменным и длительным статическим нагрузкам. При повторном нагружении в области многоцикловой усталости определяется предел выносливости на базе 10⁷–2·10⁷ циклов. Малоцикловая усталость определяется от многоцикловой условно выбранной базой испытания (N ≥ 5·10⁴ циклов) и отличается пониженной частотой нагружения (f = 0,1–5 Гц). Сопротивление малоцикловой усталости оценивается по долговечности при заданном уровне повторных напряжений или пределом малоцикловой усталости на выбранной базе испытаний. Сопротивление длительным статическим нагрузкам определяется, как правило, при температуре выше 20 °С.

Критериями сопротивления материалов длительному воздействию постоянных напряжений и температуры являются пределы ползучести и длительной прочности . Предел длительной прочности определяется при заданной базе испытаний (обычно 100 и 1000 часов), предел ползучести – по заданному допуску на остаточную (обычно 0,2 %) или общую деформацию при установленной базе испытаний.

Третью группу составляют характеристики разрушения. В инженерной практике эти характеристики используются сравнительно недавно.

Характеристики разрушения определяются на образцах с заранее выращенными начальными трещинами и оцениваются следующими основными параметрами: вязкостью разрушения, критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плоской деформации К_1С, условным критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плосконапряженном состоянии К_С, удельной работой образца с трещиной КСТ и скоростью роста трещины усталости СРТУ при заданном размахе интенсивности напряжений ΔК.

Практически все механические свойства (кроме упругих) в большей или меньшей степени структурно-чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уровень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения в продольном направлении относительно оси деформации зерен материала обычно выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например титановых, сплавов характерна «обратная» анизотропия. Наблюдается значительная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у большинства магниевых деформируемых сплавов (σ_{0,2 СЖ} << σ_0,2).

К основным физико-химическим свойствам материалов относятся: температура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения и др. Температура характеризует интенсивность теплового движения элементарных частиц – степень нагретости тела. При нагреве твердого тела при температурах меньших, чем температура плавления, т. е. при поступлении определенного количества тепла ΔQ, повышаются теплосодержание (или энтальпия) ΔS и температура на некоторую величину ΔТ.

Отношение количества тепла, сообщенного телу, к соответствующему изменению температуры при бесконечно малых изменениях температуры называют теплоемкостью тела С (Дж/К):

.

Отношение теплоемкости тела С к массе М называют удельной теплоемкостью С_У (Дж/(кг·К).

Отношение теплоемкости тела С к молярной массе вещества μ называют молярной теплоемкостью С_μ (Дж/(моль·К).

Отношение теплоемкости тела к единице объема называют удельной объемной теплоемкостью С_V (Дж/(м³·К), характеризующей изменение объемной концентрации тепла при нагреве (или охлаждении) на 1 градус.

Некоторые технологические способы (литье, некоторые виды сварки) связаны с изменением агрегатного состояния вещества. Для того чтобы расплавить металл, нагретый до температуры плавления, необходимо затратить определенное количество тепловой энергии. Для кристаллизации жидкого металла при температуре кристаллизации необходимо отвести такое же количество тепла.

Количество тепла, необходимое для расплавления единицы массы металла при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления L (Дж/кг).

Еще одной из характеристик теплопроводности сплава или металла является коэффициент теплопроводности, который равен количеству теплоты, протекающему за единицу времени через единицу поверхности при перепаде температур в 1 градус на единицу длины λ (Вт/(м·К)).

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры. Для сталей, как правило, с увеличением температуры он уменьшается, но могут быть и другие зависимости: сначала рост, затем уменьшение. Однако при тепловых расчетах и удельную теплоемкость, и коэффициент теплопроводности считают постоянными, не зависящими от температуры.

С изменением температуры твердых и жидких тел изменяются их размеры и объем. Величина этих изменений характеризуется коэффициентом линейного расширения: α = (1/t)(l_t – l₀)/l₀ и коэффициентом объемного расширения:
β = (1/t)(v_t – v₀)/v₀.

При нагревании тел происходит изменение их плотности, которая зависит от величины коэффициента объемного расширения.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным видам горячей и холодной обработки. Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Показатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях. Литейные свойства зависят от многих факторов: от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств формы и т. д.

Ковкость–способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под действием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности от температуры нагревания и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются параметры режимов резания и качество поверхностного слоя.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатационными или служебными характеристиками материалов, применяемых для ее изготовления. В зависимости от условий эксплуатации и рабочей среды кроме высокой прочности к машиностроительным материалам могут предъявляться и другие требования: жаропрочность, т. е. сохранение высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионная стойкость при работе в различных агрессивных средах; повышенная износостойкость, необходимая, если детали в процессе работы подвергаются истиранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности с керамикой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания технологичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характеристики.