Что такое механические свойства материалов

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материа­лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес­ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои раз­меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели­чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость мате­риала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диа­метром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F₀, МПа:

Деформация характеризует изменение размеров образца под дей­ствием нагрузки, %:

где l₁ — длина растянутого образца.

Деформация может быть упру­гой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остаю­щейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения ис­пытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у — это максимальное напряжение при кото­ром в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в — это на­пряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи­вает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение при­ращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень­шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь­ному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе­мый образен твердого наконечника различной формы/

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердо­сти по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действую­щей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавли­вание производится под действием двух нагрузок — предваритель­ной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех­гранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сече­ния F; Дж/м2:

Источник

Механические свойства

Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.

Что такое Прочность?

Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.

Испытания на прочность

Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.

Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.

Упругость

Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.

От чего зависит упругость?

Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.

Пластичность

Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.

Пластичность — важное механическое свойство

Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.

Хрупкость

Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации. Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.

Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.

Источник

Сопротивление материалов. Шпаргалка для студентов

Настоящее издание поможет систематизировать полученные ранее знания, а также подготовиться к экзамену или зачету и успешно их сдать.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Сопротивление материалов. Шпаргалка для студентов предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

6. Механические характеристики свойств материала

Для правильного побора материала при расчетах машин и сооружений надо знать механические свойства подбираемых материалов, к которым относятся:

— прочность — способность материала выдерживать воздействие внешних сил без разрушения и возникновения опасных последствий;

— пластичность — способность материала накапливать пластические деформации до разрушения;

— упругость — способность материала восстанавливать свою форму и размеры после удаления нагрузки;

— жесткость — способность тела противостоять упругой деформации и разрушению при воздействии.

Все детали перед введением в эксплуатацию подвергаются механическим испытаниям, что позволяет определить характеристики свойств материалов. Наиболее распространенным испытанием является растяжение. На начальном этапе растяжения абсолютные деформации пропорциональны нагрузке, а относительные деформации пропорциональны напряжению, т. е. справедлив закон Гука. Пределом пропорциональности σ_пц называется максимальное напряжение, при котором выполняется закон Гука. При достижении нагрузкой некоторой величины в образце появляются остаточные деформации. Пределом упругости σ_0,05 называют максимальное напряжение, при котором не возникают остаточные деформации. Принято считать за максимальное то напряжение, при котором в испытуемом образце появляются деформации 0,05 %. Предел пропорциональности, предел упругости, модуль упругости и коэффициент поперечной деформации характеризуют упругие свойства материала. Предел текучести материала σ_m — это наименьшее напряжение, при котором деформация увеличивается без заметного увеличения нагрузки. Если после возникновения текучести продолжать увеличивать действие нагрузки, наступает разрушение. Пределом прочности (временным сопротивлением) σ_в называют напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца. Пределы текучести и прочности характеризуют прочность материала. Также существуют две величины, характеризующие пластичность материала: относительное остаточное удлинение δ (отношение изменения длины к начальной длине образца) и относительное остаточное сужение ψ (отношение изменения сечения к первоначальной площади сечения).

Испытания на сжатие для пластичных тел в начале дают результаты, похожие на растяжение, но при нарастании нагрузки пластичные тела не разрушаются, а сплющиваются. Поэтому целесообразнее таким испытаниям подвергать хрупкие тела с малым относительным остаточным удлинением при разрыве. Как правило, в таких испытаниях определяется предел прочности σ с _в — максимальное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке.

Источник

Механические свойства

Механические свойства оценивают способность материала сопротивляться механическим нагрузкам, характеризуют работоспособность изделий.

Механическими называются свойства, которые определяются при испытаниях под действием внешних нагрузок – результатом этих испытаний являются количественные характеристики механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием напряжений (приводящих к деформации и разрушению), действующих как в процессе изготовления изделий (литье, сварка, обработка давлением и др.), так и при эксплуатации.

Стандартные характеристики механических свойств определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров посредством создания необратимой пластической деформации или разрушения образцов. Испытания проводят в условиях воздействия внешних нагрузок: растяжение, сжатие, кручение, удар; в условиях знакопеременных и изнашивающих нагрузок. Значения полученных характеристик обычно приводятся в справочниках.

Примером могут служить характеристики:

— сопротивление разрушению, оцениваемое пределом прочности, или временным сопротивлением – это максимальная удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает материал до разрушения при его растяжении;

— сопротивление пластической деформации, оцениваемое пределом текучести – это напряжение, при котором начинается пластическая деформация материала при растяжении;

— сопротивление упругим деформациям, оцениваемое пределом упругости – это напряжение, выше которого материал приобретает остаточные деформации;

— способность выдерживать пластические деформации, оцениваемые относительным удлинением образца при растяжении и относительным сужением его поперечного сечения;

— способность сопротивляться динамическим нагрузкам, оцениваемая ударной вязкостью;

— твердость, оцениваемая сопротивлением материала проникновению индентора (эталонного образца).

Механические свойства материалов определяют в статических и динамических условиях нагружения.

Статические испытания. В условиях статического нагружения происходит медленное, плавное нарастание прилагаемой нагрузки. Наиболее распространенным способом определения механических свойств материалов в статических условиях нагружения является испытание на растяжение.

Растяжение производится с силой, достаточной для вытягивания с постоянной скоростью образца стандартных размеров (для исключения погрешностей). Испытания на растяжение проводят на разрывной машине с использованием специальных образцов, например лопаток (рис. 13).

Рис. 13 Образец для испытания на растяжение

В процессе приложения нагрузки записывающее устройство разрывной машины фиксирует зависимость удлинения образца от приложенной нагрузки.

После обработки диаграммы деформации и замера геометрических размеров образца рассчитывают разные характеристики, важнейшими из которых являются:

— предел прочности при растяжении (временное сопротивление)

где F_о – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм 2 ; P₁ и P₂ – нагрузки, Н; l_к – длина образца после разрыва, мм; l₀ – длина образца до испытания, мм. Прочность – способность тела воспринимать в определенных пределах воздействие внешних сил без признаков разрушения.

Относительное удлинение δ и предел текучести σ_τ характеризуют пластичность материала. Под действием приложенной нагрузки образец деформируется. Деформация может быть упругой или пластической. Упругая деформация после снятия нагрузки P исчезает, и геометрические размеры образца восстанавливаются до исходных значений, а пластическая деформация после снятия нагрузки P не исчезает, т. е. размеры образца изменяются на величину Δl.

Важной характеристикой физико-механических свойств материала является модуль упругости Е, который определяют как тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы деформации в виде отношения

Он характеризует сопротивляемость материала упругой деформации, т. е. его жесткость. Чем выше Е, тем жестче материал и меньше упругая деформация, получаемая при одном и том же напряжении. Модуль сдвига – модуль упругости при деформации сдвигом. Большинство твердых материалов при малых и умеренных напряжениях следуют закону Гука.

Эластичность характеризует упругие свойства полимера, способность материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках из-за колебания звеньев и способности макромолекул изгибаться.

К статическим испытаниям относятся также испытания на сжатие, кручение, изгиб и другие виды нагружения.

Общим недостатком статических методов определения физико-механических свойств материалов является необходимость разрушения образца, что исключает возможность дальнейшего использования детали по прямому назначению в результате вырезки из нее образца для испытания.

Определение твердости. Это метод неразрушающего контроля механических свойств материала при статической нагрузке. Твердость оценивают главным образом у металлов, так как для большинства неметаллических материалов твердость не является свойством, определяющим их работоспособность.

Твердость оценивают по сопротивлению материала проникновению в него при статической нагрузке инородного тела правильной геометрической формы, имеющего эталонную твердость (рис. 14).

Рис. 14 Определение твердости материалов: а – схема нагружения; б – измерение твердости по Бриннелю; в – измерение твердости по Виккерсу

Вдавливание эталонного образца в испытуемый образец выполняется на специальных приборах, из которых чаще применяют приборы Бриннеля, Роквелла, Виккерса.

Метод Бриннеля является наиболее распространенным – в образец вдавливают шарик из закаленной стали. Диаметр отпечатка d_отп измеряют с помощью лупы со шкалой. Далее по таблицам находят твердость материала. В испытаниях по методу Виккерса используется алмазный резец, а по методу Роквелла – алмазный конус.

Минералогическая шкала по Моосу – шкала твердости при испытаниях методом царапания поверхности материала набором из десяти минералов, расположенных в порядке возрастания твердости: от талька, который легко царапается ногтем, до более высокого числа (максимальная оценка 10 баллов) у самого твердого материала – алмаза. Данный метод широко используется для относительной характеристики твердости неметаллических материалов – он менее точен, но прост в исполнении и не требует приборов.

Динамические испытания. Условия нагружения в этих испытаниях характеризуются резким приложением максимальной нагрузки. Определяются ударная вязкость разрушения образца, конструкционная прочность и другие показатели.

Хрупкость – способность материала мгновенно разрушаться под давлением внешних сил без заметной пластической деформации. Хрупкие материалы плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Разрушение материала в результате воздействия многократных, часто знакопеременных, нагрузок называют усталостью. Сопротивление материала усталости называют выносливостью. Истираемость – способность материала уменьшаться в массе и объеме под давлением истирающих усилий.

Внешние воздействия оказывают влияние на технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые зависят не только от химического состава и структуры материала, но и от условий его эксплуатации. К внешним условиям относят давление (напряжение) и температуру. Например, всестороннее сжатие уменьшает расстояние между атомами в веществе, что вызывает реакцию отталкивания.

Это увеличивает сопротивление деформированию, не разрывает связей, но может изменить их качественно. При этом тело не разрушается, а чаще переходит в вязкотекучее состояние. На этом основаны технологии обработки металлов давлением (прессование) и экструзия – выдавливание всесторонне сжимаемого материала через относительно небольшое отверстие.

При двустороннем сжатии деформация идет в область, свободную от внешних сил. В этом направлении расстояния между атомами увеличиваются, и по достижении определенной величины силы связей между атомами становятся меньше напряжений от действия внешней нагрузки, и тело разрушается.

Простое одноосное растяжение материала увеличивает расстояние между атомами. Этой растягивающей деформации противодействуют силы межатомного притяжения, которые сильно уменьшаются с увеличением расстояния. Как только напряжение становится больше силы притяжения, происходит разрыв связей, тело разрушается. В этом состоит физическая сущность упругости, прочности, деформируемости и разрушения материалов.

Влияние температуры на прочность материалов таково: с увеличением температуры прочность кристаллических (твердых) и аморфных тел уменьшается, так как возрастание кинетической энергии способствует разрыву связей атомов от действия растягивающей внешней силы.

Для материалов изделий, работающих в условиях высоких температур, используют оценку жаропрочность – способность материала сопротивляться деформированию и разрушению в высокотемпературной области. Термопрочностью называют способность материала не разрушаться под действием градиента (перепада) температур. Большинство металлов и их сплавы, как правило, термопрочны, существенно менее термопрочны керамические материалы.

При оценке эксплуатационных свойств материалов существенное значение имеют комплексные характеристики, определяемые несколькими параметрами. Примером комплексной характеристики может служить конструкционная прочность, включающая набор механических и пластических параметров, или жаропрочность, оцениваемая окалиностойкостью и параметрами прочности при повышенной температуре.

Многие характеристики материалов прямо или косвенно связаны с периодом времени эксплуатации изделий. Так, сопротивление усталости определяет допустимые напряжения, которые выдерживает материал до разрушения за определенное количество циклов изменения нагрузки; ползучесть связана с длительностью действия нагрузки; химическая стойкость и износостойкость оцениваются по количеству расходуемого материала за определенное время; радиационная прочность – временной стойкостью материалов к радиоактивному излучению. Временной фактор является определяющим при нахождении сопротивления коррозии и эрозии.

Физико-химические свойства связаны со способностью материала взаимодействовать с физическими полями, излучениями, химически активными средами (например, сопротивление коррозии, электрическое сопротивление).

Химические свойства. Окружающая, или рабочая, среда любого изделия (устройства) может оказывать отрицательное воздействие на материал, а следовательно, влиять на его механические свойства.

Процесс разрушения металлических материалов при химическом взаимодействии с активными средами называют коррозией. Процесс имеет электрохимическую природу, его скорость определяется разницей в электрохимических потенциалах контактируемых тел (фаз). Из-за коррозии из строя преждевременно выходит большое число машин и оборудования, она приводит к огромным экономическим потерям. Наибольший ущерб от вредного воздействия химически активных сред наносится черным металлам.

По возрастанию химической активности эксплуатационные среды можно расположить в следующей последовательности: воздушная атмосфера – морская атмосфера – морская вода – промышленные среды (щелочи, кислоты, растворы и расплавы солей).

Основной химически активной составляющей воздушной среды является кислород, содержание которого в воздухе около 21%. Наличие в воздухе водяных паров активизирует процессы коррозии. Содержание их зависит как от местных условий, например, наличия водоемов, так и от температуры воздуха. Повышенная химическая активность морских сред вызвана присутствием в них продукта диссоциации морских солей – ионов хлора, активирующих процесс коррозии.

Сопротивление металлических материалов воздействию химически активных сред, их способность оставаться пассивными, не меняя первоначальных свойств, называют коррозионной стойкостью. В случае неметаллических материалов используют термин «химическая стойкость».

Химические свойства материалов оценивают по величине потери массы, отнесенной к единице поверхности, после выдержки образца в течение определенного времени в химически активной среде. Для повышения точности определения используют образцы с большим отношением поверхности к объему. Состав среды должен моделировать эксплуатационную среду намечаемого применения материала. Условия контакта образца с активной средой также имитируют условия эксплуатации изделия: образец выдерживают в парах, растворе или расплаве солей, а также при постоянном или периодическом погружении в жидкость и пр.

Коррозионную стойкость металлических материалов оценивают с помощью балльной системы. Меньший балл соответствует более высокой коррозионной стойкости, т. е. меньшей скорости коррозии.

Используют также прямые методы оценки влияния химического воздействия на механические свойства материалов. Для этого химическому воздействию в течение определенного времени подвергают стандартные образцы для испытания на растяжение. О химической стойкости материала судят по изменению механических свойств в результате химического воздействия.

Сопротивление материала высокотемпературной газовой коррозии называют жаростойкостью. Критерием оценки жаростойкости материала служит величина потери массы, отнесенной к единице поверхности, после выдержки образца в течение определенного времени в химически активной среде при заданной температуре.

Энергетическое состояние поверхности материала обусловливает ее эрозию. Эрозией называют процесс постепенного разрушения рабочей поверхности материала в скоростном потоке химически активной среды (газа или жидкости) с участием механических, физических и химических видов воздействия. Основная причина эрозии – химическое взаимодействие материала с рабочей средой.

На процесс химического взаимодействия накладываются другие факторы:

— динамическое воздействие газового потока;

— термическая усталость материала;

— абразивное действие твердых частиц, присутствующих в газовом потоке;

— механическая усталость материала от действующих напряжений и ударов твердых частиц и др.

Наибольшей эрозии подвергаются границы зерен материала с дефектами строения, поэтому эрозия выявляет рельеф рабочей поверхности. Появление шероховатости снижает эксплуатационные характеристики детали и уменьшает прочность материала вплоть до аварийного отказа с разрушением детали.

Эрозионную стойкость определяют на установках, имитирующих условия работы материала в натурном изделии. Натурным испытаниям предшествуют лабораторные, модельные и полунатурные испытания.

Толщину металлического покрытия определяют химическим способом – методами струи или капли. Метод струи основан на растворении покрытия раствором, вытекающим на поверхность детали в виде струи с определенной скоростью. Толщину покрытия рассчитывают по времени, затраченному на растворение покрытия, или по объему раствора, израсходованного на его растворение. Окончание растворения покрытия устанавливают визуально или с помощью приборов. Метод капли основан на растворении покрытия каплями раствора, который наносят на поверхность и выдерживают в течение определенного промежутка времени.

Физические свойства. К физическим свойствам материалов относят электрические, магнитные, тепловые свойства и плотность.

Физические свойства определяются, главным образом, типом межатомной связи и химическим составом материала, т. е. зависят от свойств вещества на атомном и молекулярном уровнях и меньше зависят от надмолекулярного и дисперсного уровней структуры материала. Для ряда деталей и изделий именно физические свойства определяют возможность промышленного применения материалов, особенно в электротехническом производстве, где электрические и магнитные свойства материалов важнее механических свойств.

Важной характеристикой материала является плотность ρ (г/см 3 ), которая входит в критерий удельной прочности. Истинная плотность – предел отношения массы к объему тела или вещества без учета имеющихся в них пор и пустот. Удельной прочностью называют отношение предела прочности при растяжении к плотности материала – σ_в/(ρ*g), км. Физический смысл полученной величины можно представить следующим образом: при полученной расчетом длине стержень с площадью поперечного сечения 1 см 2 разрушится под действием собственной массы.

Чем выше значение удельной прочности материала, тем меньшую материалоемкость будут иметь изготовленные из него детали машин и оборудования. Материалы с пониженной плотностью пригодны для применения в движущихся конструкциях. Важнейшее значение удельная прочность материала имеет в транспортном машиностроении; она возрастает в ряду: водный транспорт → наземный транспорт → воздушный транспорт → космический транспорт. Считается, что процент снижения массы автомобиля соответствует уменьшению расхода топлива на столько же процентов.

На поверхности материала наблюдаются разного рода явления, причина которых – поверхностная энергия, под которой подразумевают избыток потенциальной энергии в поверхностных слоях. Эта энергия повышает физическую активность поверхности, результатом которой может быть адгезия – слипание, схватывание материалов, в том числе при трении.

При этом происходит отрыв (вырывание) частиц менее прочного материала с его поверхности, что способствует изнашиванию. Возможен химический механизм адгезии (склеивание). Количественно адгезия оценивается работой, затрачиваемой на разделение тел. Хорошая адгезионная стойкость является необходимой характеристикой лакокрасочных покрытий, антикоррозионных составов, эмульсий и суспензий разного назначения.

Изнашивание (износ) – это постепенное изменение размеров тела, обусловленное удалением материала с поверхности. Основным видом механического изнашивания считается абразивное, возникающее в результате режущего или царапающего воздействия твердых частиц или тел на поверхность материала.

Теплопроводность – скорость переноса энергии в форме тепла через материал при разности температур, зависит от коэффициента теплопроводности через единицу поверхности, в результате чего происходит выравнивание температуры тела. Коэффициент теплопроводности (Вт/(м*К)) необходим для оценки работоспособности материала в условиях резких теплосмен, а также учитывает технологию изготовления изделия, например, сварку или спекание.

В процессе эксплуатации изделия (например, фарфоро-фаянсовые, особенно посуда) выдерживают, не разрушаясь, значительные перепады температур. Термическую стойкость можно оценивать разными методами, но наиболее приемлем метод теплосмен: последовательное нагревание и охлаждение образцов.

Теплоотдача – явление передачи тепла от одного тела другому при их контакте. Теплопередача – явление передачи тепла из одной среды в другую через промежуточную среду.

Теплоемкость – свойство материала поглощать теплоту при нагревании и отдавать ее при охлаждении. Теплоемкость оценивают по коэффициенту теплоемкости, который определяют по количеству тепла, необходимого для нагрева 1 кг материала на 1 о С.

Огнестойкость – способность материала противостоять действию огня без потери необходимых прочностных, конструкционных и эксплуатационных качеств. По степени огнестойкости материалы делят на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются. Трудносгораемые материалы плохо возгораются, но тлеют или обугливаются; сгораемые – воспламеняются или тлеют.

Морозостойкость – способность материала выдерживать многократное замораживание и оттаивание без видимых процессов разрушения и понижения прочности (для строительных материалов).

Проницаемость – скорость прохождения газа или пара сквозь материал через единицу площади. Газопроницаемость– способность материала пропускать газ или воздух. Водопроницаемость– способность материала пропускать воду под давлением. Уровень водопроницаемости материала зависит от его плотности и строения. Оценкой водопроницаемости служит количество воды, которое при постоянном давлении проходит за 1 час через 1 см 2 поверхности материала.

Влажность – массовая доля влаги в материале в сухом состоянии, выраженная в процентах. Водопоглощение – способность материала впитывать и удерживать воду, характеризуется пористостью и определяется по формуле:

где m₁ – первоначальная масса образца, г; m₂ – масса образца после обводнения, г.

Немаловажное значение при экспертизе качества многих товаров имеет безвредность, которая определяется гигиеничностью (стеклянная посуда). Обязательным условием для такого товара является наличие гигиенического сертификата, выдаваемого предприятию-изготовителю. Стеклянные изделия постоянно контактируют с пищевыми продуктами, поэтому они должны быть устойчивы к действию кислот и щелочей, раствора солей и воды.

Гигиенические свойства стеклянных изделий обусловлены также безвредностью состава декоративного покрытия и прочностью закрепления красочных составов на поверхности изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Показателем безвредности для стеклянных изделий считается отсутствие или предельно допустимое количество свинца и кадмия в красках, используемых для украшений.

Электроны в изолированном атоме занимают дискретные уровни энергии. В твердом теле атом не изолирован и электроны находятся не только под влиянием собственных ядер, но и соседних атомов. В твердом теле поэтому дискретные уровни энергии расширяются, образуя энергетические зоны.

Самая верхняя зона энергии, содержащая занятые уровни при температуре 0 о К, называется валентной зоной. Энергетическая зона непосредственно выше валентной зоны, которая содержит вакантные уровни энергии при 0 о К, – зона проводимости. Параметры энергетической зоны между валентной зоной и зоной проводимости, называемой запрещенной зоной, зависят от элемента или соединения.

Когда к образцу материала приложена разность потенциалов, внутри возникает электрическое поле. В случае хорошего проводника эта разность создает ток. Электрическое поле является источником силы у носителей заряда (электронов), которые могут свободно двигаться.

Если зона проводимости заполнена частично и содержит свободные верхние, не занятые электронами уровни, то твердое тело является проводником (рис. 15). Причем, электропроводность твердого тела определяется не числом валентных электронов, а отношением числа электронов в зоне проводимости к общему числу энергетических уровней в этой зоне.

Взаимодействие электронов с положительными ионами кристаллической решетки в квантовой теории металлов рассматривается как рассеяние электронных волн на тепловых колебаниях ионов вещества, что наряду с дефектами (примесями, вакансиями, дислокациями) приводит к торможению электронов и электрическому сопротивлению.

Рис. 15 Энергетические уровни для : а – хорошего проводника; б – изолятора; в – полупроводника; С – зона проводимости; V – валентная зона

У полупроводников и диэлектриков энергетические зоны проводимости не пересекаются. Условно считают, что если зона проводимости отделена от валентной зоны интервалом менее 2 эВ, то вещество относится к полупроводникам, а если больше 2 эВ – к диэлектрикам (изоляторам).

Удельной проводимостью σ (удельной электропроводностью) называют способность вещества проводить электрический ток. Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением.

Электрическая проводимость G проводника длиной L с площадью поперечного сечения S может быть выражена через удельную проводимость вещества σ, из которого сделан проводник, следующей формулой:

Движение электрических зарядов вызывает появление магнитного поля. Плотность магнитного потока (магнитная индукция) В – величина потока, проходящего через единицу площади. Напряженность магнитного поля Н – подведенная к системе энергия, которая создает магнитный поток.

У разных материалов под действием внешнего магнитного поля магнитный момент атомов является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) моментов электронов. Когда накладывается внешнее магнитное поле, эти магнитные моменты по-разному ориентируются вдоль поля. Существуют вещества с диамагнитным эффектом – диамагнетики, у которых в атоме индуцируется магнитный момент, направленный против поля.

В парамагнитных веществах (парамагнетиках) нескомпенсированные спины (моменты вращения) электронов, наоборот, усиливают намагничиваемость атомов (парамагнитный эффект). Ферромагнетики обладают большим собственным магнитным полем и при намагничивании способны создавать большие магнитные поля.

Под воздействием магнитного поля ферромагнетики (железо, кобальт, никель и другие металлы) намагничиваются и остаются в намагниченном состоянии после электромагнитной обработки. Чтобы размагнитить такой образец, его нужно обработать магнитным полем противоположного знака. Напряженность магнитного поля, необходимого для полного размагничивания образца, называют коэрцитивной силой Н_с. Коэрцитивная сила является основной характеристикой магнитных свойств материала.

Звукопроницаемость – свойство материала пропускать воздушные шумы и ударные звуки.

Оптика – наука о природе и распространении света. Свет – это совокупность электромагнитных волн, при этом векторы переменных магнитных и электрических полей перпендикулярны друг другу в направлении распространения волны, длина λ и частота v которой связаны уравнением:

где с = 3_*10 10 м/с – скорость света в вакууме.

Видимый свет – электромагнитное излучение с λ = 0,34 – 0,747 мкм. УФ-излучение обладает меньшими, а ИК (тепловое), микроволновое и радиочастотное излучение – большими λ по сравнению с видимым диапазоном. Оптические свойства тел обусловлены их взаимодействием с электромагнитным излучением.

Вещество может быть охарактеризовано цветом и прозрачностью. Прозрачность – свойство света проникать через вещество, многие изоляторы прозрачны. Если вещество непрозрачно, оно поглощает свет полностью (имеет черный цвет), частично (окрашено) или отражает свет. Большинство металлов полностью отражает свет (выглядят серебристо-белыми) или частично (выглядят окрашенными) – красная медь, желтое золото.

Белый свет содержит излучение всех видимых длин волн. Излучение, соответствующее только одной длине волны, монохроматично, имеет определенный цвет, зависит только от λ.

Показатель преломления света п – отношение скорости света в вакууме к скорости света в материале.

Оптические методы анализа широко используются при контроле качества сырья, полуфабриката и готовой продукции. В зависимости от того, какое свойство света используется в методе (преломление, поглощение, рассеяние, излучение, вращение плоскости поляризации), различают методы рефрактометрии, фотометрии, колорометрии, нефелометрии, поляриметрии, люминесценции.

Люминесценция (флюоресценция и фосфоресценция) – эффекты свечения при поглощении энергии падающего света, механического воздействия, химических реакций или тепла.

Оптические свойства веществ имеют огромное прикладное значение. Преломление света используется для изготовления линз оптических приборов, отражение – теплоизоляция: подбором соответствующих покрытий можно влиять на свойства материалов с целью поглощения или отражения теплового излучения, но пропуская видимый свет. Оконные стекла имеют характерный цвет для кондиционирования.

Широко применяются самоокрашивающиеся очки-хамелеоны, флюоресцирующие светильники и экраны осциллографов. Используются металлические покрытия (анодированный алюминий) для декоративных целей (значение имеет отражательная способность материала), прецизионные зеркала металлизированных поверхностей.

Декоративные свойства материалов определяются их внешним видом и зависят от их наружного рисунка, дизайна, текстуры, структуры, способа обработки поверхности, от наличия покрытий и рельефов.

Биологические свойства материалов определяются:

— их воздействием на окружающую среду, степенью их токсичности для живых организмов;

— их пригодностью для существования и развития каких-либо организмов (грибков, насекомых, плесени и пр.).

Источник