Деформація та механічні властивості

Теоретичні відомості

У процесi експлуатацii вироби, cпоруди зазнають рiзноманiтних силових навантажень. Дія навантаження викликає деформацію матеріалу, тобто зміну його розмірів та форми. Розрізняють два види деформації — пружну та пластичну.

Пружна деформація зумовлена дією нормальних (перпендикулярних до площини, на яку вони діють) зусиль, внаслідок чого відбувається зміщення атомів із положень рівноваги (ці положення визначаються зрівноважуванням сил притягання електронів атома з ядрами сусідніх атомів та сил відштовхування ядер сусідніх атомів). Таке зміщення атомів відбувається на відстанях, що не перевищують міжатомних відстаней, без зміни сусідів. Тому пружна деформація має зворотний характер, тобто при усуненні навантаження атоми повертаються до вихідних місць рівноваги, внаслідок чого пружна деформація зникає і виріб набуває попередньої форми і розмірів.

Пластична деформація зумовлена незворотним переміщенням атомів у певних площинах під впливом діючих у них дотичних сил. Вона не зникає після розвантаження матеріалу і тому її ще називають незворотною або залишковою. При збільшенні навантаження деформація закінчується руйнуванням, тобто порушенням суцільності матеріалу.

Залежно від внеску пластичної деформації в загальний процес деформування аж до руйнування матеріалу розрізняють пластичні й крихкі матеріали. Пластичному стану матеріалу властива істотна пластична деформація перед руйнуванням. У крихкому стані матеріал руйнується катастрофічно швидко без помітної пластичної деформації. Тому матеріали в такому стані не застосовуються для виготовлення навантажених відповідальних виробів. Однак, у різних умовах навантаження (температура, швидкість деформування) один і той же матеріал може перебувати в пластичному або крихкому стані.

Поведінку матеріалів у навантаженому стані характеризують механічні властивості. До основних механічних властивостей матеріалів зараховують:

пружність — здатність матеріалу відновлювати свою форму та розміри після припинення дії сил, що викликали його деформацію;

міцність — опір матеріалу деформації й руйнуванню;

пластичність — здатність матеріалу під дією навантаження пластично деформуватися без руйнування, зберігаючи змінену форму й розміри після припинення дії навантаження;

твердість — опір матеріалу місцевій пластичній деформації;

ударну в'язкість — опір матеріалу руйнуванню під дією динамічних навантажень;

утомну міцність — опір матеріалу втомному руйнуванню, яке викликає повторно–змінне прикладення навантаження.

Усі механічні властивості залежать від хімічного складу, структури (за винятком пружності, що є структурно малочутливою), стану поверхні виробів, масштабного чинника (розмірів та форми), умов зовнішньої дії, а саме: температури, характеру та величини прикладеного навантаження, швидкoсті деформування, агресивності середовища. Так, зокрема, підвищення температури сприяє пластичній деформації, а дія корозійного середовища зменшує не тільки міцність, а й пластичність металів.

Переважна більшість матеріалів застосовується завдяки певному рівню їх механічних властивостей. Так, матеріали з високою міцністю застосовуються для виготовлення сильно статично навантажених відповідальних конструкцій, деталей машин. Матеріали ресор, пружин, мембран повинні володіти високою пружністю й утомною міцністю. Металообробні різальні інструменти виготовляють з твердих матеріалів, а деталі, що працюють в умовах динамічних змінних навантажень, — з в'язких та достатньо втомноміцних матеріалів.

Значення механічних властивостей подаються у довідниках, стандартах як основні характеристики конструкційних та інструментальних матеріалів. Для визначення цих характеристик використовуються різноманітні методи механічних випробувань.