Из свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими. Все наиболее ответственные детали и изделия изготавливают из металлов, а не из стекла, пластмасс или камня, чтобы обеспечить им необходимую надежность.
Как было отмечено, для металлов характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Для всех неметаллов характерна ионная или ковалентная связь. Эти виды связи жесткие, обусловленные электростатическим притяжением двух разнородно заряженных ионов. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.
Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо, прежде всего, учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 3.1). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.
Приложение к материалу напряжения вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.
Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.2). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат – значения напряжения, приложенного к образцу.
Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.2), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.
Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.
При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.
Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании (рис. 3.3).
Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).
Представленная на рис. 3.2 зависимость ОАВ между приложенным извне напряжением (σ) и вызванной им относительной деформацией () характеризует механические свойства металлов:
· наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения;
· тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е = ?/?);
· напряжение ?пц, которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А.
· в технических измерениях принята характеристика, именуемая пределом текучести (?0,2) (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины или другого размера образца, изделия);
· максимальное напряжение (?В) соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении, и называется временным сопротивлением или пределом прочности.
Еще одной характеристикой материала является величина пластической деформации, предшествующая разрушению и определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) – так называемое относительное удлинение (?) или относительное сужение (?), характеризует пластичность металла; площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.
Кривая деформации (см. рис. 3.2) в зависимости от многих факторов (природы испытуемого материала, напряженного состояния, скорости и температуры испытания и др.) имеет разный вид. Анализируя ее, можно получить много ценной информации. Некоторые типичные виды кривых деформации (для растяжения) представлены на рис. 3.4.
В поведении металла после точки В возможны два принципиально различных случая. Если после зарождения трещины ее распространение требует некоторой работы, такое разрушение называется вязким (вязкое разрушение), оно характеризуется определенным видом излома (рис. 3.5 б, г). Если же в точке В наблюдается срыв кривой, то происходит хрупкое разрушение (рис. 3.5 а, в). Возможен промежуточный случай: вначале вязкое, а потом хрупкое разрушение.
Механизм пластической деформации существенно отличается от механизма упругой деформации. Пластическая деформация может происходить в результате скольжения или двойникования.
При скольжении наблюдается взаимный сдвиг частей кристалла по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям, образующим системы скольжения.
Плоскости и направления скольжения обычно отличаются повышенной плотностью упаковки атомов. Металлы с гексагональной решеткой обладают пониженной пластичностью.
В основу современной теории пластической деформации были взяты следующие положения:
· скольжение распространяется по плоскости сдвига последовательно, а не одновременно;
· скольжение начинается от мест нарушения кристаллической решетки, которые должны быть или возникают в кристалле при его нагружении.
Так как пластическая деформация в кристаллических телах осуществляется движением дислокаций, то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствии для их продвижения. Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокаций друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т.д.).