Механические характеристики материалов

Механические характеристики материалов изучаются в курсе «Сопротивление материалов». Знание механических характеристик чтобы с наибольшей эффективностью проектировать машины и приборы, т.е. с минимальным весом, максимальной прочностью, максимальными надёжностью и износостойкостью.

К механическим характеристикам прежде всего относят прочность материалов, пластичность, твёрдость и др.

Прочность материалов – это их способность сопротивляться действию внешних сил не разрушаясь. Для каждого из материалов созданы справочные данные, где указывается их прочность. Прочность материалов оценивается на растяжение, на нажатие, на изгиб, на кручение, на ударные нагрузки и т.д. Прочность материала определяется путём испытания соответствующих образцов на нагрузках.

Рассмотрим методику определения прочности материала на растяжение.

Для определения прочности материала на растяжение используют стандартные образцы (см. рис.16).

1 – головка;

2 – рабочая часть.

Если нагрузить образец внешним усилием Р, то в результате действия этих сил на растяжение в образце возникают физические явления описываемые следующими характеристиками.

Напряжение:

( ),

Рис. 16

где Р – приложенные внешние силы, F – площадь поперечного сечения образца.

В зависимости от вида воздействия на образец, различают:

вр - временное напряжение при растяжении;

сж - напряжение возникающее при сжатии;

кр – напряжение возникающее при кручении;

уд – напряжение возникающее при ударе.

В справочниках по сопротивлению материалов в квадратных скобках (например [σвр]) указывают допустимые значения напряжений, а без квадратных скобок указывают максимальные напряжения при которых возникает разрушение материала.

Деформация:

ε = Δl = l – lo,

где ε – абсолютная деформация; lо – первоначальная длина образца;

l – длина образца после приложения сил.

В сопротивлении материалов применяют понятие относительной деформации εо, но обычно в приборостроении эту величину обозначают символом δ:

После изготовления образцов, их для определения характеристик помещают в специальную разрывную машину, и затем снимается диаграмма растяжения материала образцов (см. рис.17). По оси ординат - напряжение, по оси абсцисс ε_о – относительная деформация.

Рис. 17

На участке ОА имеет место прямо пропорциональная зависимость между напряжениями и деформациями материала образца. Если снять напряжение в точке А, то размеры образца восстанавливаются до начальных, т.е. на отрезке ОА имеет место упругая деформация. Эту закономерность впервые установил Гук, поэтому данный закон называется законом Гука.

Выше точки А возникает пластическая деформация материала. Если в точке В снять действие внешних сил, то размеры первоначального образца изменятся, т.е. имеет место остаточная деформация.

Значение остаточной деформации при котором ε = 0,2% называется напряжением текучести материала σт.

Если будем далее нагружать материал внешними нагрузками до точки D, то материал начинает пластически деформироваться.

Предельное значение нагрузки при которой материал начинает течь и разрушаться определяет предел прочности материала σвр при растяжении.

Таким же методом, которой был рассмотрен выше, проводятся испытания на все остальные виды воздействий.

Пластичность материала – это способность материала деформироваться под действием внешних сил без разрушений и сохранять новую форму после прекращения действия внешних сил.

Пластичность материала определяется при его испытании на растяжение. Основными параметрами являются:

а) ;

б) ,

где So – первоначальная площадь сечения образца; S – площадь сечения шейки после деформации; lo – первоначальная длина образца; l – длина образца после приложения силы.

Твёрдость материала – это способность испытуемого материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого материала.

В приборостроении и машиностроении используются несколько способов определения твёрдости:

1) По Бринелю – HB;

2) По Роквеллу – HRC.

Твёрдость по Бринеллю определяется для мягких материалов HB < 450 единиц.

Твёрдости HB и HRC определяются с помощью специальных приборов ПМТ – 1, ПМТ – 2, ПМТ – 3. Твёрдость по Бринелю определяется с помощью прибора ПМТ – 1 (см. рис. 18).

1 – испытуемая деталь;

2 – твёрдый закалённый шарик;

3 – стол;

4 – лунка.

Шарик вдавливается в поверхность испытуемой детали, после чего остаётся лунка диаметра d. Затем по специальным таблицам определяют твёрдость материала, при этом за единицу твёрдости применяется глубина лунки величиной:

Рис. 18 1ед = 0,002мм = ho

Чтобы определить твёрдость более твёрдых материалов (например, закалённых сталей) применяют метод Роквелла (используется прибор ПМТ – 3, см. рис. 20). Твёрдость обозначается так:

HRC 55÷60

Рис. 20