Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала. В производстве, однако, для оперативного контроля над качеством изготовляемых деталей этот метод испытания представляет в ряде случаев значительные неудобства. Например, при помощи испытания на растяжение и сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий. Поэтому на практике большей частью прибегают к сравнительной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость.

     Под твердостью понимается способность материала противодействовать механическому проникновению в него посторонних тел. Понятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, определение свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением. Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения, испытания.

     Наиболее  широкое распространение получили пробы по Бринелю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром 10 мм, во втором — алмазный острый наконечник. По обмеру полученного отпечатка судят о твердости материала. Испытательная лаборатория обычно располагает составленной путем экспериментов переводной таблицей, при помощи которой можно приближенно по показателю твердости определить предел прочности материала. Таким образом, в результате пробы на твердость удается определить прочностные показатели материала, не разрушая детали.

     Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала

     Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это—элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.

     В широких пределах изменяются также  и скорости нагружения, и время  действия внешних сил. Существуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалом будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами s, e, температурой t° и временем t

     f(s,e, t°, t)=0

     не  является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин. Так как в  общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится и основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изменяющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.

      Основными являются медленно изменяющиеся, или статические  нагрузки. Скорость изменения этих нагрузок во времени настолько мала, что кинетическая энергия, которую получают перемещающиеся частицы деформируемого тела, составляет ничтожно малую долю от работы внешних сил. Иначе говоря, работа внешних сил преобразуется только в упругую потенциальную энергию, а также в необратимую тепловую энергию, связанную с пластическими деформациями тела. Испытание материалов в так называемых нормальных условиях происходит под действием статических нагрузок

      Если вести  испытания на растяжение при различных  температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации

       то можно в определенном интервале  получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.

     На  рис. 6 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести sтр, предела прочности sвр и удлинения при разрыве e для малоуглеродистой стали в интервале 0—500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения   температуры до 300°С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина sвр и, особенно, d, причем имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.

     Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала.

     Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести.

     Частным проявлением ползучести является  рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение размеров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.

     Другим  частным проявлением свойств  ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких  температур.

      Вид диаграмм релаксации, дающих зависимость напряжения от времени, представлен на рис. 7. Основными механическими характеристиками материала в условиях ползучести являются предел длительной прочности и предел ползучести.

     Пределом  длительной прочности  называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.

       Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения. Последний выбирается равным сроку службы детали и меняется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он падает.

     Пределом  ползучести называется напряжение, при  котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.

     Как видим, для определения предела  ползучести необходимо задать интервал времени (который определяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зависят от температуры. С увеличением температуры они уменьшаются.

     Среди различных типов статических  нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с понятиями выносливости или усталости материала.

     После статических рассмотрим класс динамических, нагрузок.

     К оценке этих нагрузок существуют два  подхода. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяющейся, если она вызывает заметные скорости частиц деформируемого тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей работы, внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузка может рассматриваться как быстро изменяющаяся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают образоваться полностью. Это заметно сказывается на характере наблюдаемых зависимостей между деформациями и напряжениями.

     Первый  критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используется в основном при анализе вопросов колебаний упругих тел, второй — при изучении механических свойств материалов в связи с процессами быстрого деформирования.  Поскольку при быстром нагружении образование пластических деформаций не успевает полностью завершиться, материал с увеличением скорости деформации становится более хрупким и величина d уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным площадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное иллюстрируется сопоставлением диаграмм растяжения при медленно и быстро изменяющихся си лах (рис. 8).

     Наиболее  заметно сказывается влияние  скорости деформации при высоких температурах. В нагретом металле уже при сравнительно небольшом увеличении скорости нагружения обнаруживается тенденция к увеличению sвр и уменьшению d.

     Последним из трех рассматриваемых видов нагрузок являются весьма быстро изменяющиеся во времени нагрузки. Скорость их изменения настолько велика, что работа внешних сил почти полностью переходит в кинетическую энергию движущихся частиц тела, а энергия упругих и пластических деформаций оказывается сравнительно малой.

     Весьма  быстро изменяющиеся нагрузки возникают при ударе тел, движущихся со скоростями в несколько сотен метров в секунду и выше. С этими нагрузками приходится иметь дело при изучении вопросов бронепробиваемости, при оценке разрушающего действия взрывной волны, при исследовании пробивной способности межпланетной пыли, встречающейся на пути космического корабля.

     Так как энергия деформации материала  в условиях весьма больших скоростей нагружения оказывается сравнительно малой, то свойства материала как твердого тела имеют в данном случае второстепенное значение. На первый план выступают законы движения легко деформируемой (почти жидкой) среды, и особую роль приобретают вопросы физического состояния и физических свойств материала в новых условиях.

2 Температурные характеристики материалов

     Параметры, отражающие изменение свойств материалов в зависимости от их температуры, являются одними из важнейших характеристик  материалов. Стойкость материалов к  повышенным температурам и нагрузкам  в значительной степени определяет прогресс в автомобилестроении. Свойство материалов стабильно сохранять комплекс эксплуатационных характеристик при низких температурах влияет на работоспособность машин и оборудования, эксплуатируемых в условиях Севера. При осуществлении технологических процессов (литье, ковка, сварка и др.) важное значение имеет температурное изменение деформационно-прочностных характеристик материалов.

     Жаростойкость - когда механические параметры материалов сохраняются или незначительно изменяются при высоких температурах.

     Жароупорность - свойство материалов противостоять коррозионному воздействию газов при высокой температуре.

     В качестве характеристики жаростойкости  легкоплавких материалов используют температуру  размягчения, при которой изделие, нагреваемое с установленной  скоростью, под действием постоянного изгибающего момента деформируется на допустимую величину.

     Для легкоплавких кристаллических материалов (подобных воскам) характеристикой  жаростойкости служит температура  плавления.

     Температура вспышки - температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с источником зажигания (например, электрический разряд). Если продолжить нагревание после вспышки, происходит воспламенение материала, когда к нему подносится открытое пламя. Температуру, при которой материал воспламеняется и после удаления внешнею источника зажигания продолжает гореть не менее 5 с, считают температурой воспламенения.

     Жаропрочность - свойство материалов длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при высоких температурах, которые имеют место в двигателях внутреннего сгорания.