Механические свойства материалов. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Механические свойства материалов - реакция материала на приложенные механич. нагрузки. Осн. характеристиками механич. свойств являются напряжения и деформации. Напряжения - характеристики сил, к-рые относят к единице сечения образца материала или изделия, конструкции из него. Деформацию чаще всего оценивают безразмерной величиной относит, изменения длины, стрелой прогиба или углом закручивания.

Механические свойства конструкц. материалов (металлов и сплавов, полимеров, стекла, керамики, текстильных нитей и тканей, дерева и др.) устанавливают механич. испытаниями, целью к-рых чаще всего является нахождение связи между приложенными механич. напряжениями к материалу и его деформацией. M. с. существенно зависят от структуры испытываемого материала и схемы приложенных сил. Поэтому они не являются физ. константами и не характеризуют сил межатомного взаимодействия материала. Для простоты сопоставления M. с. разных материалов испытания проводят при несложных, легко воспроизводимых схемах нагружения (приложения внеш. сил) - одноосном растяжении (или сжатии), изгибе, кручении. При сопоставлении M. с. разных материалов или одного материала с разной структурой следует иметь в виду соблюдение условий подобия испытаний (одинаковые схемы напряжённого состояния, скорости приложения нагрузок и физ--механич. условия среды испытаний, а также геом. подобие - форма и размеры испытуемого образца). M. с. существенно зависят от температуры и давления.

Механич. испытания можно классифицировать по напряжённому состоянию (схема приложенных сил), способу нагружения при испытаниях (деформирование с заданной скоростью и измерение сил сопротивления деформации), приложению пост, нагрузки (или напряжений) и измерению сил сопротивления деформированию, по характеру изменения статич., динамич.или циклич. нагрузок (напряжений) во времени. Статич. нагрузками считают либо такие, к-рые не изменяются со временем, либо изменяющиеся в течение секунд или минут. При динамич. нагружении возрастание нагрузок происходит за доли секунды, а циклические характеризуются периодич. изменением направления и величины статич. или динамич. нагрузки.

Механические свойства материалов классифицируются по физ. природе получаемых характеристик.

Упругость - свойство твёрдых тел сопротивляться изменению их объёма или формы под действием механич. напряжений ц самопроизвольно восстанавливать исходное состояние при прекращении внеш. воздействий. Характеризуется пределом упругости - макс, напряжением, после удаления к-рого форма и размеры образца полностью восстанавливаются; модулем упругости - коэф. пропорциональности, связывающим напряжение и упругую деформацию. Единств, характеристика M. с., дающая информацию о межатомном взаимодействии в кристаллич. решётке материала,- вторая производная энергии взаимодействия атомов (ионов) но расстоянию между ними.

В области упругости часто имеют место отклонения от упругих свойств, к-рые характеризуются релаксацией напряжения, последействием упругим, внутренним трением, дефектом модуля упругости.

Прочность - сопротивление разрушению (разрыву); характеризуется напряжениями, соответствующими максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки (т. н. продел прочности или временное сопротивление).

Характер разрушения при всех видах испытаний (растяжении, сжатии, изгибе, кручении) как под действием нормальных (отрыв), так и сдвиговых (срез) напряжений бывает вязким или хрупким. Различие между вязким и хрупким разрушениями заключается в величине пластич. деформации, накопленной перед разрушением. Оба вида разрушения связаны с зарождением и развитием трещин. Оценка сопротивления разрушению при обычных статич. испытаниях (предел прочности, временное сопротивление разрушению) часто недостаточна для определения пригодности материала как конструкционного, особенно при наличии надрезов, трещин и др. концентраторов напряжений. В этом случае применяют испытания на вязкость разрушения, при к-рых используют образцы с заранее созданными в них трещинами, и оценивают параметр (К), к-рый наз. коэф. интенсивности напряжений. Определяют этот коэф. для плоского (K_с) или объёмного (A^-Ci) напряжённых состояний.

К прочностным свойствам относят также и сопротивление пластич. деформации. Обычно пластич. деформацию характеризуют напряжениями, необходимыми для достижения нек-рой заданной величины остаточных деформаций. Так, предел текучести определяет напряжения, вызывающие при растяжении пластич. деформации 0,2% (обозначается

Пластичность - свойство твёрдых тел необратимо деформироваться под действием внеш. сил или внутр. напряжений. В качестве характеристик пластичности наиб, широко распространены удлинение (относит, изменение длины при растяжении) и относит, сужение в шейке - изменение поперечного сечения образца после прекращения равномерного удлинения (потери устойчивости) и образования шейки.

Сопротивление динамич. нагрузкам оценивают величиной ударной вязкости - удельная работа разрушения при ударном изгибе образцов с надрезом (для относительно пластичных материалов) или без надреза (для менее пластичных материалов).

Жаропрочность - способность материалов работать длит, время не деформируясь и но разрушаясь при приложенных нагрузках и высоких темп-pax. Осн. характеристиками жаропрочности являются предел ползучести и длит, прочность. Предел ползучести, т. е. величину напряжений, при к-рой скорость ползучсти не превышает заданного значения, определяют для каждой температуры из зависимости скорости установившейся ползучести от напряжений. Аналогично этому, величину длит, прочности материала для заданной температуры определяют из зависимости времени до разрушения от напряжений. Напр., устанавливают напряжение (или нагрузку), при к-ром разрушение при заданной пост, температуре T происходит за 100 ч

Важной характеристикой жаропрочности является также длит, пластичность, т. е. величина деформации, накапливаемая в течение ползучести до момента разрушения. Часто жаропрочность характеризуют просто временем до разрушения при заданных и постоянных напряжении и температуре. Во мн. случаях жаропрочность оценивают пределом прочности или др. подобными характеристиками при повышенной температуре. В этом случае говорят о кратковрем. жаропрочности.

Усталость - процесс накопления повреждаемости в материалах под воздействием циклически изме-пяющихся напряжений, к-рые по своей величине не превышают предела упругости. Схема приложенных напряжений и характер их изменения во времени могут быть различными. Сопротивление усталости наз. в ы-носливостью. Для изучения усталости материала строят диаграммы зависимости числа циклов изменения напряжений от величины макс, напряжений цикла

При понижении s_макc до определ. величины эта зависимость либо начинает изменяться незначительно, либо остаётся постоянной. Уровень таких напряжений наз. пределом усталости. Изучают также зависимость числа циклов до разрушения от амплитуды деформации.

Весьма распространённой характеристикой M. с. является твёрдость, к-рая представляет собой сопротивление материала вдавливанию. Несмотря на нек-рую неопределённость физ. природы этого свойства, благодаря простоте измерения, лёгкости воспроизведения и высокой корреляции с прочностью твёрдость стала широко распространённой характеристикой M. с.

В технике распространение получили т. н. технол. пробы, показывающие способность конструкц. материалов к тем или иным деформациям: проба по Эриксену, показывающая способность материала к глубокой вытяжке; пластичность при кручении, гиб с перегибом - показатели пластичности материала и его податливости к отд. видам обработки давлением.

Литература по механическим свойствам материалов

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.