Механические свойства материалов

Вероятно, нам следует начать с признания того, что список механических свойств довольно велик. Некоторые из них более важны, чем другие, при описании материала. Поэтому мы рассматриваем тему с точки зрения инженера. Ему нужно знать основы, чтобы различать типы металлов друг от друга, принимать обоснованные решения при проектировании чего-либо.

Напряжение и деформация

Во-первых, нам нужно объяснить некоторые физические концепции, лежащие в основе механических свойств. Главный из них – сила воздействия. Этот показатель говорит вам, насколько большая сила приложена к материалу. В машиностроении она чаще всего выражается в МПа или Н/мм 2. Эти два значения взаимозаменяемы. Формула:

σ=F/A
Где F — сила (Н), а A — площадь (мм 2 ).

Второе важное понятие — напряжение . Деформация не имеет единицы измерения, так как это отношение длин. Она рассчитывается следующим образом:

ε=(ll 0 )/l 0
Где l 0 – начальная длина (мм), а l – длина в растянутом состоянии (мм).

Из этих двух понятий мы получаем первые механические свойства – жёсткость и эластичность как противоположности. Это важный фактор для инженеров при решении задач физики материала (его пригодность для определенного применения).

Жёсткий и эластичный материал

Жёсткий материал не сжимается и не растягивается.
Жёсткость выражается как модуль Юнга, также известный как модуль упругости. Как одно из основных механических свойств материалов, оно определяет взаимосвязь между напряжением и деформацией — чем больше его значение, тем жёстче материал. Это означает, что одна и та же нагрузка будет по-разному деформировать две детали одинакового размера, если они имеют разные модули Юнга. В то же время меньшее значение означает, что материал более эластичен.
Формула модуля Юнга:

E=σ/ε (МПа)

Предел текучести

Предел текучести материалов — это величина, наиболее часто используемая в инженерных расчетах. Это дает материалу значение напряжения в МПа, которое он может выдержать до пластической деформации. Это называется точкой текучести. После превышения предела текучести деформация становится постоянной.

График кривой напряжение-деформация

Есть веская причина использовать предел текучести как наиболее важный фактор в машиностроении. Как видно из кривой напряжения-деформации, когда напряжение выходит за пределы текучести, разрушение еще не критично. Это оставляет «подушку» перед тем, как конструкция полностью выйдет из строя вплоть до разрушения.

Предел прочности

Предел прочности на растяжение, является следующим шагом после предела текучести. Это значение также измеряется в МПа и указывает максимальное напряжение, которое материал может выдержать до разрушения.
При выборе подходящего материала, способного выдерживать известные силы, два материала с одинаковым пределом текучести могут иметь разную прочность на растяжение. Наличие более высокой прочности на растяжение поможет избежать несчастных случаев в случае приложения непредвиденных сил.

Пластичность

Пластичность – механическое свойство материалов, проявляющееся в способности деформироваться под нагрузкой без разрушения, сохраняя при этом форму после подъема груза. Металлы с более высокой пластичностью лучше поддаются формовке. Это видно при изгибе металла.
Два взаимосвязанных механических свойства материалов — это пластичность и ковкость. Пластичность — это способность материала подвергаться пластической деформации перед разрушением. Он выражается как процентное увеличение или уменьшение площади. По сути, пластичность — это свойство, которое вам нужно, например, при использовании тонкой металлической проволоки. Хорошим примером такого пластичного материала является медь. Например, металл с хорошей ковкостью подходит для производства металлических пластин или листов методом прокатки или ковки.