Механические свойства

Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.

Что такое Прочность?

Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.

Испытания на прочность

Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.

Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.

Упругость

Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.

От чего зависит упругость?

Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.

Пластичность

Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.

Пластичность — важное механическое свойство

Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.

Хрупкость

Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации. Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.

Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.