Прочность и структура материалов
Параметры материалов определяют с помощью опытных измерений, используя специальные технические средства. Требования к исследуемым стандартным образцам материалов (например, масса, габаритные размеры, чистота поверхности и др.) устанавливаются соответствующими Государственными стандартами.
Для изучения свойств материалов и установления величины предельных напряжений (по разрушению или по пластическим деформациям) производят испытания образцов материала вплоть до разрушения. Испытания производят при нагрузках следующих категорий: статической, ударной и циклической (испытание на усталость или выносливость).
По виду деформации, испытываемой образцом, различают испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. Значительно реже проводят испытания на сложное сопротивление, например, сочетание растяжения и кручения.
Так как результаты испытаний зависят от формы образца, скорости его деформирований, температуры при испытании и т. д., то эксперимент обычно ведут в условиях, предусмотренных Государственными стандартами (ГОСТ).
Испытания производят на специальных машинах, разнообразных по конструкции и мощности.
Для измерения деформаций применяют специальные приборы (тензометры), имеющие высокую чувствительность.
Подробное описание испытательных машин и приборов можно найти в специальных руководствах.
Для статического испытания требуется (как минимум) 2 идентичных образца, а для динамического испытания — 3 образца. При испытании на выносливость необходимо иметь 10 идентичных образцов. Для получения более надежных результатов при испытании менее однородных материалов число повторных испытаний следует по возможности увеличивать.
Наибольшее распространение имеют испытания на растяжение статической нагрузкой, так как они наиболее просты и в то же время во многих случаях дают возможность достаточно верно судить о поведении материала при других видах деформации. Целью испытания на растяжение является определение механических характеристик материала.
Для чугуна и других хрупких материалов заметное влияние на предел прочности при разрыве оказывают размеры образца.
Следует отметить, что в последние годы достигнуты значительные успехи в деле создания высокопрочных материалов.
Теоретическое значение предела прочности, вычисленное на основе учета взаимодействия атомов в кристалле, составляет для стали примерно 200 000 кГ/см2, что почти в 10 раз больше, чем предел прочности для существующих марок высокопрочных сталей.
К теоретической прочности можно приблизиться двумя путями.
Первый путь — это создание материалов, свободных от внутренних дефектов, имеющих идеальную кристаллическую решетку.
В настоящее время в лабораторных условиях уже получены нитевидные кристаллы («усы») железа и других металлов диаметром 1—2 мкм, в которых полностью отсутствуют внутренние дефекты.
Предел прочности таких «усов» из железа достигает 150 000 кГ/см2.
Другой путь, как это ни парадоксально, прямо противоположен и состоит в создании металлов, имеющих возможно больше нарушений правильной кристаллической структуры. Эти нарушения микроструктуры (дислокации) могут быть получены или сочетанием пластического деформирования металла (наклепа) с термообработкой, или путем нейтронного облучения. При этом из кристаллической решетки выбиваются атомы и в решетке создаются или свободные места — вакансии, или атомы без места — внедренные атомы. Эти нарушения микроструктуры делают металл более прочным, так как затрудняют передвижение внутри кристалла, подобно тому, как шероховатые поверхности двух брусков препятствуют их скольжению.
Причиной неудовлетворительной прочности изделий может быть влияние поверхностных дефектов и напряжений, которые возникают из-за неравномерного распределения нагрузки, обусловленного особенностями конструкции. Поэтому прочность конструкционных элементов (сварочных швов, болтов, валов и т.д.) - конструкционная прочность - во многих случаях ниже технической прочности исходных материалов.
