Механические свойства материалов. Прочность — это способность материала сопротивляться разру­шению под действием внешних сил или других факторов

Прочность — это способность материала сопротивляться разру­шению под действием внешних сил или других факторов, вызы­вающих внутренние напряжения в материале.

Если растягивать стержень силой F, то его длина увеличится. Следовательно, увеличатся расстояния между атомами и возрас­тут силы их взаимного притяжения. Эти внутренние силы уравно­вешивают внешнюю силу F. Условие равновесия составляют с по­мощью метода сечений. Разрежем мысленно стержень на две час­ти и рассмотрим одну из них. Чтобы равновесие этой части не изменилось, действие отброшенной части нужно заме­нить большим числом внутренних сил/, приложенных к каждому атому. Если в поперечном сечении п атомов, то условие равнове­сия примет вид: fit = F.

Принято относить внутренние силы не к каждому атому, а к единице площади поперечного сечения и называть эту величину напряжением: a=fn/A = F/A, где А — площадь поперечного сече­ния стержня.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является пас­каль (Па): 1 Па = 1 Н/м². Эта единица слишком мелкая для стро­ительных материалов, поэтому обычно используют мегапаскаль (МПа): 1 МПа= 10⁶ Па. Иногда используется единица технической системы — кгс/см² (кгс — килограмм силы). 1 МПа = 9,81 кгс/см².

Увеличивая далее силу F, можно развести атомы на такие рас­стояния, на которых они потеряют связь между собой. Произой­дет разрыв образца. К моменту разрушения напряжение достигнет своего максимального значения, принимаемого за предел проч­ности образца R.

При экспериментальном определении предела прочности при растяжении R_p образец измеряют в поперечном сечении, затем растягивают в разрывной машине до разрыва и регистрируют мак­симальную нагрузку при испытании F_max. Предел прочности опре­деляют по формуле

Л_Р = F_mJA_{),

где А₀ — первоначальная площадь поперечного сечения, измерен­ная до испытания.

В действительности площадь поперечного сечения не постоян­на — она уменьшается с увеличением длины стержня, и истин­ный предел прочности при растяжении всегда немного больше предела прочности.

Значения прочности материалов, получаемые эксперименталь­но, оказываются примерно на два порядка ниже теоретических значений, вычисленных из предположения, что предел прочнос­ти, так же как напряжение, пропорционален силе взаимодействия атомов/ На самом деле это верно только для идеальных кристал­лов; для реальных тел прочность определяется наличием дефек­тов.

Так, теоретическая прочность стекла на растяжение составляет около 10⁴ МПа. Микротрещины и неоднородности, неизбежные при изготовлении стекла, снижают его прочность примерно в 100 раз. В результате появления на поверхности стекла дополни­тельных дефектов (микротрещин, царапин) при резке, упаковке, транспортировании и монтаже фактическая прочность при растя­жении уменьшается еще в 2 — 3 раза и составляет 30...60 МПа.

Согласно статистической теории прочности, пионерами кото­рой являются шведский ученый В.Вейбул и российские ученые Т. А. Конторова и Я. И.Френкель, прочность образца лимитирова­на наиболее опасным дефектом, содержащимся в его объеме. С уве­личением объема образца повышается вероятность существова­ния в нем крупного дефекта, поэтому средняя прочность об­разцов одного и того же материала возрастает с уменьшением их размеров. Например, прочность при изгибе образцов окон­ного стекла шириной 100 мм составила 60 МПа, а шириной 200 мм — 45 МПа.

Влияние размеров образцов на прочность называется масштаб­ным фактором. Чтобы исключить влияние масштабного фактора на прочность, установлены стандартные размеры образцов для каждого материала. В некоторых случаях пользуются масштабными коэффициентами, равными отношению прочности образцов про­извольных размеров к прочности стандартных образцов.

Распределение дефектов в образцах является случайным, по­этому прочность одного образца не может служить характеристи­кой материала. Требуется испытать значительное число одинако­вых образцов, чтобы достоверно охарактеризовать прочность ма­териала.

При количественной оценке твердости в испытуемый матери­ал под определенной нагрузкой вдавливают так называемый индентор (шарик, конус, пирамидку и т.д.). По нагрузке и размерам полученного отпечатка рассчитывают показатель твердости. В за­висимости от формы индентора различают показатель твердости по Бринеллю (шарик), по Виккерсу (квадратная пирамидка), по Кнуппу (пирамидка с ромбовидным основанием), по Роквеллу (алмазный конус).

С увеличением твердости материалов повышается их износоус­тойчивость и истираемость, но затрудняется механическая обра­ботка.

Истираемость материала характеризуется потерей массы об­разца с единицы площади истирания, полученной при стандарт­ном испытании на круге истирания с абразивом в виде кварцево­го песка или наждака.

Износостойкость — способность материала сопротивляться из­нашиванию при трении и ударном воздействии в реальных усло­виях.