Физико-механические характеристики конструкционных материалов в машиностроении

Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.

К основным физическим характеристикам конструкционных материалов, определяющих их физические свойства, относятся упругие характеристики материала, а именно: E - модуль продольной упругости материала (модуль Юнга), G - модуль сдвига и v - коэффициент Пуассона (коэффициент поперечной деформации). Помимо указанных упругих постоянных E, G, и v к физическим характеристикам относят также плотность, температуру плавления, коэффициент теплового расширения, тепло - и электропроводность, магнитную проницаемость и др.

Модуль Юнга (модуль продольной упругости) - физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению, сжатию при упругой деформации. В СИ измеряется в ньютонах на квадратный метр или в паскалях.

Модуль сдвига – физическая величина, характеризующая способность материала сопротивляться сдвиговой деформации. В СИ измеряется в паскалях.

Коэффициент Пуассона – величина отношения относительного поперечного сжатия к относительному продольному растяжению. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец. Безразмерен, но может быть указан в относительных единицах: мм/мм, м/м.

Механические свойства относятся к числу основных характеристик, определяющих надежность и долговечность деталей механизмов и машин. В процессе работы детали машин подвержены различным видам нагрузок. Для того, чтобы определить работоспособность сплавов в различных условиях нагружения проводят их испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и т.д. При этом под действием приложенных к испытуемому образцу нагрузок в металле возникают напряжения, равные отношению нагрузки к площади поперечного сечения детали или испытуемого образца. Напряжения вызывают упругую (исчезающую после снятия нагрузки) и пластическую (остаточную) деформации. Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима. Основные механические характеристики конструкционных материалов также как и основные физические характеристики определяются экспериментальным путем. Для пластичных материалов это предел пропорциональности σпр, предел текучести σт, предел прочности σв. Для хрупких материалов это предел прочности на растяжение σвр – сжатие σвс. Указанные характеристики в СИ измеряются в паскалях, оказывают непосредственное влияние на такие основные критерии работоспособности как прочность, жесткость, устойчивость.

Основные механические характеристики конструкционных материалов обуславливаются индивидуальными для данного материала свойствами сопротивляться приложенному к нему силовому фактору. Так можно выделить группу наиболее важных “способностей” материала сопротивляться:

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил, один из основных критериев работоспособности в общем машиностроении.

В расчетах оценка прочности производиться путем сравнения наибольших расчетных напряжений σmax, рабочих нагрузок Fр с их допускаемым значением [σ], [F]:

σmax≤[σ]; Fр≤[F].

Жесткость – способность материала сопротивляться изменению первоначальных размеров и формы, вызываемых действием внешних нагрузок, один из основных критериев работоспособности в общем машиностроении.

В расчетах оценка жесткости производиться путем сопоставления расчетных деформаций (прогибов γ, углов поворота θ, углов закручивания ϕ°) с допускаемыми:

γ≤[γ]; θ≤[θ]; ϕ°≤[ϕ°].

Устойчивость – способность материала сохранять под нагрузкой первоначальную форму равновесия, один из основных критериев работоспособности в общем машиностроении. При расчетах на устойчивость действующая нагрузка не должна превышать величины допускаемой критической нагрузки:

F≤[Fкр].

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу в определенных условиях эксплуатации или лабораторного испытания, один из основных критериев работоспособности. Измеряться в зависимости от характера приложения нагрузки и конструктивных особенностей механизма может в мм, мм3, г/см2.

Теплостойкость - способность материалов сохранять жёсткость и другие эксплуатационные свойства при повышенных температурах, один из основных критериев работоспособности. Теплостойкость измеряется в °С.

Пластичность - способность материала, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Имеет две единицы измерения в мм – относительное удлинение и относительное сужение при разрыве.

Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела. Наиболее распространенные методы измерения твердости: Роквелла HR, Бринелля НВ, Виккерса HV, Шора HS ( для измерения твердости таких материалов как пластмасса, эластомеры, каучуки и продуктов их вулканизации).

Ударная вязкость - способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки. Выражается в Дж/см2 или в кДж/м2.

Выносливость – способность материала противостоять многократным повторно-переменным нагрузкам. Предел выносливости - максимальное напряжение, которое выдерживает образец при заданном числе циклов нагружения.

Кроме металлических материалов все более широкое применение в технике находят неметаллические конструкционные материалы, лидирующее положение среди которых занимают пластические массы (пластмассы, пластики).

Особую группу конструкционных материалов представляют композиционные материалы, в металлической или неметаллической основе которых имеются усиливающие элементы в виде нитей, волокон или дисперсных частиц другого более прочного (или более твердого, более износостойкого, более электропроводного и т. д.) материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, получают композиционные материалы с требуемыми значениями твердости, жаропрочности и других специальных свойств.

Настало время ввести понятия изотропного и анизотропного конструкционного материала.

Изотропные материалы имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Так большинство металлов и их сплавов типичный пример изотропного материала, однако после проката сталь начинает проявлять свойства анизотропного материала, т.е. материала, волокна которого ориентированы в определенных направлениях. Типичным представителем анизотропного материала является дерево. Частным случаем анизотропных являются ортотропные (ортогонально анизотропные) материалы -характеризуются наличием в каждом элементарном объеме трех взаимно перпендикулярных плоскостей симметрии свойств.

Используя в качестве связующих волокон, например кевлар, мы можем добиться прочности композита вдоль волокон, превышающую прочность стали, в то время как в поперечном направлении прочность будет обуславливаться наполнителем, связующего волокна кевлара. Из этого следует, что для анизотропного конструкционного материала физико-механические свойства различны в зависимости от направления.