Механические свойства
Механические свойства и их показатели имеют большое значение при оценке качества материалов, при обосновании выбора их для изделий, при разработке конструкции изделия и параметров технологического процесса его изготовления.
В процессе изготовления и эксплуатации материалы и изделия испытывают действие различных внешних факторов. Внешними факторами называют силы и изменение температуры. Приложение к материалу внешних усилий называют нагрузкой, а их удаление (снятие) — разгрузкой. Нагрузки различают по площади приложения, по характеру действия на материалы, по числу циклов воздействия.
По площади приложения нагрузки бывают распределенные и сосредоточенные. Распределенные нагрузки бывают поверхностные и объемные. Поверхностные нагрузки прилагаются ко всей поверхности материала. Например, аэродинамическая нагрузка на кузов автомобиля. Объемные нагрузки распределены по всему объему тела. Примером таких нагрузок является действие силы тяжести и силы инерции.
Сосредоточенные нагрузки прилагаются к весьма малой площадке (точке). Например, при проколе иглой материал испытывает сосредоточенную нагрузку. По характеру действия на материалы и изделия нагрузки бывают статические и динамические. Статические нагрузки, прикладываемые к материалу, сохраняют рабочее значение в течение сравнительно длительного времени.
При динамических нагрузках на материал действуют силы, которые изменяют свое значение или направление. Так, подвесное устройство люстры испытывает статическую нагрузку, а на гвоздь при его забивании молотком действует динамическая нагрузка.
По числу циклов воздействия различают полу-, однои многоцикловые нагрузки. Под циклом понимается воздействие, включающее время воздействия нагрузки, время разгрузки и время, в течение которого изделие выдерживается без нагрузки (отдых).
Полуцикловые характеристики определяют поведение материалов при однократном, обычно предельном нагружении, вызывающем разрушение. Они отражают деструкцию молекул вещества, составляющего материал, потерю массы материала и др.
Одноцикловые характеристики, получаемые чаще всего
при длительном нагружении с последующим отдыхом, хорошо выявляют влияние временного фактора, особенности деформации материалов, их способность сохранять форму.
Многоцикловые характеристики показывают стабильность механических свойств при многократных силовых воздействиях. Под действием многократных по величине, но малых сил нарушается структура тел, ослабляются межмолекулярные связи, даже деструктируются молекулы. Таким образом, многоцикловыми характеристиками оценивают устойчивость структуры. Многоцикловые нагрузки испытывает, например, обувь при ходьбе.
Под действием нагрузки изменяются размеры материалов и изделий. Явления изменения линейных и угловых размеров материалов и изделий называется деформацией. Деформация является следствием изменения средних расстояний между частицами (молекулами, атомами, ионами) вещества тела. Деформация материала зависит от величины и вида нагрузки, внутреннего строения, формы и характера расположения отдельных частиц, сил межмолекулярного и межатомного сцепления.
Полная деформация материалов и изделий слагается из обратимой (упругой и эластической) и необратимой (пластической) частей. При обратимой деформации первоначальное состояние и размеры тела полностью восстанавливаются сразу после разгрузки. Деформация считается необратимой, если тело после разгрузки не возвращается к исходным размерам.
Упругая деформация мгновенно исчезает сразу после разгрузки. Упругая деформация возникает потому, что под действием внешней силы происходят небольшие изменения средних расстояний между частицами материалов, между соседними звеньями и атомами в макромолекулах. При этом межмолекулярные и межатомные связи сохраняются, а валентные углы немного увеличиваются.
Эти изменения приводят к тому, что упругая деформация всегда вызывает увеличение объема деформируемого тела. Упругая деформация распространяется со скоростью звука в данном материале. Упругая деформация свойственна материалам не только кристаллического строения, она возникает и у материалов аморфного упорядоченного строения, например стекла, когда взаимодействие между частицами тела велико.
Эластическая деформация возникает, когда под действием внешних факторов происходят изменения конфигурации макромолекул материала, а также их перегруппировка. У некоторых полимерных материалов, например каучука, эта деформация может достигать нескольких сотен процентов и потому называется высокоэластической.
Под действием внешней силы макромолекулы переходят в более распрямленное состояние и ориентируются по направлению действия сил. Для подобной перегруппировки требуется значительное время. Она осуществляется как релаксационный процесс, идущий во времени и приводящий к достижению равновесного состояния.
Под релаксацией понимается процесс постепенного перехода материала (системы) из неравновесного состояния, вызванного внешними факторами, в состояние равновесия. При этом снижение напряжений происходит вследствие постепенного уменьшения упругой деформации и приращения на ту же величину пластической деформации. Продолжительность релаксации зависит от материала и начального напряжения и изменяется от десятков до сотен часов. Скорость релаксации возрастает с увеличением температуры.
Явление релаксации необходимо учитывать при технологической обработке материалов и изучении внутренних напряжений в изделиях. Желательно, чтобы процесс релаксации прошел до поступления товара в эксплуатацию. Если релаксация проявляется в процессе эксплуатации изделия, возможна его деформация. С явлением релаксации тесно связано явление гистерезиса, или запаздывания.
Таким образом, эластическая деформация развивается во времени с небольшими скоростями. Она сильно зависит от условий, влияющих на межмолекулярное взаимодействие. Например, повышение температуры, поглощение малых молекул различных веществ, ослабляющих межмолекулярное взаимодействие (так называемая пластификация), ускоряют развитие деформации.
Эластическая деформация чаще всего проявляется у изделий на основе высокомолекулярных органических соединений (полимеров) и материалов (кожа, ткани, каучук и др.). Величина этой деформации имеет значение для эксплуатации одежды, особенно спортивной, с ней связаны сминаемость и распрямление тканей. Ткани с высокой эластической деформацией характеризуются хорошей износостойкостью. Релаксация эластической деформации является одной из причин усадки текстильных материалов — их укорочении при смачивании и нагреве, в частности при стирке и других влажно-тепловых воздействиях.
Пластическая деформация остается в материале после разгрузки. В этом случае в материале происходят необратимые смещения звеньев макромолекул на большие расстояния. При развитии этого вида деформации у полимерных материалов макромолекулам приходится преодолевать значительные межмолекулярные связи, поэтому она развивается еще медленнее, чем эластическая. У кристаллических материалов пластическая деформация связана с нарушением кристаллической структуры. Пластическая деформация необратима, так как после удаления внешней силы отсутствуют причины, которые могли бы заставить ее исчезнуть.
В зависимости от того, какие виды деформации в большей степени проявляются в материале, материалы условно подразделяются на пластичные и хрупкие. Для пластичных материалов характерно явление текучести, когда при определенных нагрузках материал начинает деформироваться при практически постоянной (не увеличивающейся) нагрузке. Отсутствие текучести проявляется как хрупкость.
Типичными представителями пластичных материалов являются незакаленные углеродистые и легированные стали, медь, свинец, алюминий, глина, а хрупких — чугун, закаленная легированная сталь, стекло. Материалы, в которых проявляется в основном упругая деформация и ничтожно малы другие виды деформации, называются упругими.
На практике важно знать, каковы соотношения упругой (Еу), пластической (Епл) и эластической (Еэ) деформаций, а также их природу. Полная абсолютная деформация (Еобщ) рассчитывается как сумма трех видов деформации:
Еобщ = Еу + Еэ + Епл .
Все составные части полной деформации при приложении внешней силы начинают развиваться одновременно, но с различными присущими им скоростями. В зависимости от направления приложенной внешней силы различают деформацию растяжения, сжатия, изгиба, сдвига, кручения и проч.
Деформация растяжения характеризуется изменением размеров материала под действием продольных (растягивающих) сил (рис. 5.1, а). Она проявляется при эксплуатации тканей, кожи, одежды, обуви, строительных материалов и др. Различные материалы неодинаково ведут себя при растяжении, что позволяет судить о специфике их свойств.
При одних и тех же значениях нагрузки деформация неодинакова (см. рис. 5.1). При разгрузке наблюдается несколько большее удлинение материала, чем при нагружении. Кривая разгружения в этом случае не совпадает с кривой нагружения. При этом образуется петля гистерезиса (рис. 5.2).
Площадь петли гистерезиса характеризует затраты энергии на нагрев материала и преодоление сил трения между отдельными частицами при переходе их в первоначальное состояние. Для упругих материалов петля гистерезиса имеет вид замкнутой кривой.
Если тело при растяжении получает пластические деформации, то потеря энергии необратима, и при каждом повторном нагружении начало кривой растяжения перемещается из одной точки в другую. При этом повышается жесткость и уменьшается пластичность материала. Все это необходимо учитывать при выборе материала для изготовления изделий.
Деформации сжатия важны для хрупких материалов. Их можно рассматривать так же, как деформации растяжения, но с обратным знаком (рис. 5.1, б). При деформации сжатия в отличие от растяжения увеличиваются поперечные размеры и уменьшается длина образца. Основной показатель деформации сжатия — разрушающее напряжение, вычисляемое по той же формуле, что и при растяжении.
Некоторые материалы (кирпич, цемент и др.) по этому показателю подразделяют на марки. Хрупкие материалы разрушаются внезапно, без остаточных деформаций. Пластические материалы разрушаются постепенно, характеризуются большими остаточными деформациями.
Деформации изгиба — это вид деформации, характеризующийся искривлением оси или срединной поверхности деформируемого объекта под действием внешних факторов (рис. 5.1, в). Они проявляются при эксплуатации одежды, обуви, строительных материалов. Если на середину бруса, лежащего на двух опорах, действовать сосредоточенной нагрузкой, то в выпуклой части наблюдаются деформации растяжения, а в вогнутой — деформации сжатия; в зоне нейтрального слоя их нет.
Деформация изгиба характеризуется стрелой прогиба. При этом напряжения сжатия в вогнутой части бруса постепенно уменьшаются до нейтрального слоя, в котором не наблюдается никаких напряжений. Ниже этой линии возрастают напряжения растяжения.
Величина напряжений растяжения и сжатия зависит от величины изгибающего момента, модуля упругости материала, места расположения и удаления определенной части от нейтральной линии и от радиуса кривизны. Деформация в слое, отстоящем от нейтральной линии, прямо пропорциональна этому расстоянию и обратно пропорциональна радиусу кривизны нейтрального слоя.
Если слой имеет большую толщину, а радиус кривизны мал, возникают значительные напряжения и материал разрушается. Деформации сдвига проявляются в местах соединений деталей, когда две равные силы (Q) действуют в противоположном направлении и расположены в двух близких поперечных сечениях (рис. 5.1, г).
Деформация сдвига определяется величиной угла f. Если сдвиг частиц тела происходит в одной плоскости, то деформация называется срезом. Деформация сдвига частично связана с деформациями кручения и изгиба и, как правило, предшествует им. Величина, на которую сечение сместилось относительно соседнего, называется абсолютным сдвигом.
Деформация кручения — вид деформации, характеризующийся взаимным поворотом поперечных сечений стержня, вала, нити и проч. под влиянием моментов (пар сил), действующих в противоположных направлениях в плоскости этих сечений (рис. 5.1, д). Деформация кручения сообщается волокнам и нитям. Скрученность продукта характеризуется круткой, углом наклона волокон или нитей к продольной оси и направлением крутки (правая — левая).
Напряжение при кручении в определенной точке стержня пропорционально ее расстоянию до центра сечения. Наибольшие напряжения испытывают поверхностные слои материала, а наименьшие — внутренние слои.
По величине деформации судят о механических свойствах материалов и изделий. К механическим свойствам относят упругость, пластичность, прочность, твердость, хрупкость, выносливость, износостойкость и проч.
Пластичность — свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность определяет возможность технологических операций обработки материалов давлением (ковки, проката и др.).
Упругость — свойство материала или изделия полностью восстанавливать сразу после разгрузки те взаимные положения частиц (те размеры тела), которые были до нагрузки. Показателем, характеризующим способность материала упруго сопротивляться нагрузкам, служит модуль упругости (Е, МПа).
Прочность — это способность материала выдерживать действие внешних факторов до предельного состояния (разрушения). Как известно, под действием нагрузки в материале возникают внутренние напряжения, которые могут привести или к разрушению или к появлению в материале недопустимой пластической деформации (предельного состояния). Исходя из вида деформаций, различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении, ударе и проч.
При изгибе, кручении, сдвиге в отдельных участках материала имеют место деформации растяжения. Поэтому наиболее часто определяются именно прочностные характеристики при растяжении. На поведение материала при растяжении существенно влияют размеры и форма образцов, а также скорость увеличения нагрузки и условия среды.
При большой длине образцов заметнее влияние неравномерности материала и его релаксационные особенности, поэтому показатели механических свойств материала могут искажаться. Поэтому в стандартах на методы испытаний материалов и изделий нормируются размеры образца и параметры испытания. Например, хрупкие материалы (стекло, фарфор, чугун) лучше работают на сжатие, чем на растяжение, изгиб, удар.
Прочность материалов и изделий можно оценивать в абсолютных и относительных единицах. К характеристикам прочности относятся разрывная нагрузка, разрывное напряжение, разрывное удлинение, работа разрыва, усталостная прочность, стойкость к истиранию, стойкость к растяжению и изгибу и проч.
По результатам испытаний строится график зависимости растягивающей силы Р = Р (∆l) — диаграмма растяжения (рис. 5.3). Значения некоторых показателей регламентируются стандартами. По этим показателям можно судить о режиме изготовления изделий и их поведении при эксплуатации.
Нагрузка, при которой материал разрушается, называется разрывной. Показатель разрывной нагрузки определяют непосредственно на разрывной машине в момент разрыва материала. Разрывная нагрузка используется как характеристика общей оценки прочности, без уточнения конкретных условий использования материала.
Так, показатель разрывной нагрузки является показателем механических свойств ткани.
Разрывное напряжение (σВ, Па) — это отношение максимальной нагрузки, предшествующей разрушению (РВ, Н), к первоначальной площади поперечного сечения образца (Sо, м2).
Вычисляют его по формуле
σВ = РВ / Sо .
Разрывное напряжение позволяет сравнивать прочность различных материалов в недеформированном состоянии. Абсолютное разрывное удлинение lp представляет приращение длины растягиваемого образца к моменту его разрыва и выражается в единицах длины (километрах, метрах, миллиметрах и проч.).
Показатель абсолютного разрывного удлинения используется при выборе материала, удлинение которого не превышало бы конкретной величины при нагрузке вплоть до разрыва. Относительное разрывное удлинение εр,%, определяют как отношение абсолютного разрывного удлинения к начальной длине пробы lо:
εр = 100 lp / lо.
Этот показатель используется при общей оценке свойств материалов и изделий без уточнения конкретных условий их применения и тогда, когда требуются материалы с определенным удлинением. Показатели разрывного удлинения учитываются при оценке качества ниток, тканей, канатов, тросов, проволок, пленок, бумаги и других товаров. В качестве комплексных характеристик прочности используют относительную и абсолютную работу разрыва.
Абсолютная работа разрыва Rp, Дж, т. е. работа, совершаемая внешней силой при воздействии на материал, показывает, какое количество энергии затрачено на преодоление энергии связей между частицами структуры материала при его разрушении. Она может быть определена по формуле
Rp = Ррlрη,
где η — коэффициент полноты диаграммы, который показывает, какую часть от площади прямоугольника S с координатами Рр и lр занимает площадь S΄ под кривой растяжения (см. рис. 5.3): η = S / S΄.
Относительная работа разрыва оценивается отношением работы разрыва к массе mп или объему Vп испытуемого материала или изделия:
rm = Rp / mп; rv = Rp / Vп.
Работа разрыва облегчает оценку свойств материала в целом, позволяет определить возможность замены одного материала другим. Чем больше работа разрыва, тем труднее материал разрушить, тем, следовательно, он прочнее.
Многие материалы в процессе изготовления и эксплуатации испытывают многоцикловые нагрузки. При таких воздействиях происходят сложные изменения структуры материалов и накапливание остаточной деформации. Возможна концентрация напряжений, где структура имеет какие-либо дефекты, а также смещение элементов структуры без усиления связи между ними, возникновения и прорастания трещин, приводящих в конечном счете к разрушению материала.
Процесс постепенного изменения структуры и свойств материала вследствие его многократной деформации называется утомлением. В результате утомления появляется усталость — ухудшение свойств материала, не сопровождающееся существенной потерей массы.
Многоцикловые воздействия на материалы и изделия оцениваются следующими показателями: остаточное удлинение, выносливость, долговечность, предел выносливости.
Выносливость np представляет собой число циклов воздействия, которые выдерживает материал до своего разрушения. Эта же характеристика, но выраженная временем tp, в течение которого проводились многократные воздействия, называется долговечностью. Предел выносливости εр — наибольшее значение деформации, задаваемое в каждом цикле, при котором материал выдерживает (заметно не изменяя своих свойств) очень большое число циклов воздействия.
Твердость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела. Твердость материала зависит от его природы, характера строения, геометрической формы, размеров и расположения атомов, а также от сил межмолекулярного сцепления.
Твердость определяет способ формования и обработки материалов, а также назначение изделий. Например, режущий инструмент должен иметь более высокую твердость, чем обрабатываемый материал. Твердость оказывает влияние на сохранение внешнего вида изделий. Так, твердая глазурь фарфора не должна царапаться ножом. Для одних товаров твердость является показателем функциональных свойств (инструменты, ножевые изделия), для других — показателями надежности, а твердость глазури фарфоровых и фаянсовых изделий обусловливает их гигиенические свойства.
