Механические свойства материалов: прочность, твердость,...

Часто люди используют в своей речи слова в значениях, которые не соответствуют их терминологическим значениям, например люди говорят слово "вес" в том смысле, когда его нужно выражать словом "масса", а словом "давление" обозначают понятие силы и наоборот. Такое же явление присутствует и в употреблении понятий, обозначающих механические свойства материалов. Данный пост призван исправить возникшую несистемность в использовании данных терминов.

Под механическими свойствами материалов подразумевают способности материалов сопротивляться действию внешних сил.

Перед тем как перейти к самим свойствам необходимо уяснить два важных, для дальнейшего понимания, термина: механическое напряжение и деформация. Начнем с деформации.

Деформация (заимствовано из латинского: deformatio - "искажение") с макроскопической точки зрения (то, как это видим мы) (см. рисунок ниже) проявляет себя как изменение вида, формы некоторого тела необязательно твердого: он может быть и жидким (например, волны на воде являются примером деформации жидкости), и газообразным.

А с микроскопической точки зрения деформация является изменением взаимного расположения частей (в конечном счете частиц: атомы, молекулы) тела, связанное с их перемещением друг относительно друга за счет приложения усилия: внешнего или внутреннего. Виды деформации разделяют на обратимые (упругие) и необратимые (пластические). Обратимые деформации исчезают после окончания действия приложенных сил, а необратимые - остаются.

Часто деформацию характеризуют геометрическими величинами: удлинение, сжатие, растяжение,… Как правило деформацию характеризую относительным изменением длины - относительное удлинение ε: ε=(l'-l)/l, где l - начальная длина; l' - длина после деформации (растяжения). Также можно измерять абсолютное удлинение Δl=|l-l'|. Определяя подобные величины по двум измерения можно получить изменение площади, по трем - объема.

Другое необходимое понятие - механическое напряжение σ (далее - напряжение), которое вводится как раз для описания возникающих деформаций. Его определение совпадает с определением давления, но используется в иных ситуациях и равно отношению силы F, приложенной к плоскости площадью S:  σ=F/S. (Вообще, это утрированное определение, точное определение более громоздко (здесь приведено напряжение как скалярная величина, а на деле оно (напряжение) векторная величина), его приведение осложнило бы восприятие всего материала Поста.) Чтобы узнать полное напряжение необходимо сосчитать матрицу: 

которая носит название тензора напряжений или тензора напряжений Коши.

Перейдем теперь к сами механическим свойствам…

Одним из самых значимых таких свойств является прочность. Прочность (англ. robustness) - свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих под воздействием внешних сил. Например, взяв лист бумаги и закрепив его два противоположных края начнем класть на него предметы всё большей и большей массы. В какой-то момент сила тяжести будет оказывать такое давление на лист, что он порвется. Прорыв листа, что и является разрушением, говорит о том, что внешнее давление достигло таких значений, при которых связанные волокна начинают рваться. Другой пример демонстрации этого свойства можно увидеть на этом видео: https://youtu.be/1k5umZuk2Bs с YouTube-канала crazy russian experiments. Вообще, на нем представлено много примеров для демонстрации обсуждаемых свойств.

В настоящее время при расчёте на прочность пользуются следующими неравенствами: σ≤σ', τ≤τ', где σ, τ - наибольшие расчётные нормальное и касательное напряжения соответственно; σ' и τ' - допускаемые нормальное и касательное напряжения.

Следующим свойством будет твердость (англ. hardness) - это способность материала сопротивляться внедрению (деформированию локальной области материала) в него другого, более твердого тела, называемого индентором, под действием нагрузки при вдавливании и истирании. Противоположностью этого свойства является мягкость (то, как легко деформируется локальная область). Существует много методов определения твердости. Основной принцип заключается в определении отношения величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объёму отпечатка, оставленного индентором, который под этой нагрузкой внедряется в исследуемый материал. Методы определения твердости бывают по: Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Шору (их несколько), Кузнецову — Герберту — Ребиндеру, Польду, Моосу, Бухгольцу, Янку.

Следующее свойство вязкость (англ. viscosity) - свойство, которое связано больше с жидкостями, чем с твердыми телами, а определяется для них (жидкостей), как мера их сопротивления деформациям при заданной скорости движения (течения) молекул жидкости. Например, на рисунке ниже приведена анимация поведения двух жидкостей с разными вязкостями.

Вязкость определяет силу внутреннего трения между соседними слоями жидкости, находящимися в относительном движении:

Понятие вязкость участвует в качестве одного из основных понятий описывающих турбулентные и ламинарные потоки (течения) жидкостей и газов.

Для твердых веществ вязкость имеет немного другие оттенки. Вязкостью для твердых тел называют свойство материала, которое связывает вязкие напряжения (разновидность механических напряжений) в материале со скоростью изменения деформации (скоростью деформации). Вязкие напряжения определяют непосредственно сам ход деформации (её скорость) тела, находящегося под нагрузками (внешними силами). Чем меньшие возникают вязкие напряжения под нагрузкой, тем меньшие возникают деформации и тем менее вязким будет тело, к которому приложены данные нагрузки. Поэтому ещё говорят, что вязкостью является свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

Упругость (англ. elasticity) (также называют эластичностью) - свойство материала при воздействии на него внешних нагрузок и, как следствие, возникновение деформаций этого материала создавать такие внутренние напряжения, которые возвращали бы в форму, которую имел материал до протекания его деформации, вызванной внешней нагрузкой. Иными словами упругость - способность материала сопротивляться деформации, вызванной внешними силами, и принятию исходной формы, после прекращения действия внешних сил. Или так, упругость - это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки. Например, пружина ярко демонстрирует это свойство: она может сжиматься (растягиваться) под внешними нагрузками, а при прекращении таковых - возвращается в исходное состояние.

Пластичность (англ. plasticity) (также называют пластической деформацией) (как и английский перевод оба восходят к лат. plasticus - "формовка, лепка, формование, придавать форму") - способность материала без разрушения получать большие деформации с их сохранением, т.е. пластичные материалы податливы к их видоизменению. Пластическая деформация наблюдается в большинстве материалов, особенно в металлах, почвах, горных породах, бетоне и пенах.

Последнее свойство - хрупкость (англ. brittleness или brittle) - свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций (деформации, возникающие после разрушения материала). Когда это понятие используется в материаловедении, оно обычно применяется к материалам, которые разрушаются, когда пластическая деформация перед разрушением незначительна или отсутствует. Одним из доказательств является сопоставление сломанных половинок, которые должны точно соответствовать друг другу, поскольку пластической деформации не произошло.

Подытожим то основное, что должно в первую очередь ассоциироваться с этими свойствами.