1.2 Основні характеристики властивостей матеріалів

Перш, ніж надати опис конкретних характеристик фізико-механічних властивостей, необхідно розглянути основні вимоги до конструкційних матеріалів.

У загальному випадку конструкційні матеріали повинні володіти високою

конструкційною міцністю, доброю технологічністю, економічністю й бути недефіцитними. Розглянемо спочатку перелік основних фізико-механічних властивостей конструкційних матеріалів.

Конструкційна міцність – це комплекс властивостей, що забезпечують тривалу й надійну роботу виробу в конкретних умовах експлуатації. Вона поєднує такі поняття, як міцність (опір матеріалу пластичної деформації), надійність (опір матеріалу крихкому руйнуванню) і довговічність (здатність матеріалу працювати протягом заданого часу). Залежно від умов експлуатації виробів, у комплексі характеристик, що визначають конструкційну міцність, превалюють ті або інші властивості та їхні сполучення. Так, в умовах статичного навантаження критеріями міцності є границя текучості – σ_0,2, МПа (мегапаскаль) (напруження, при якому залишкова пластична деформація становить 0,2 %) і тимчасовий опір (границя міцності) – σ_в, МПа. Визначають ці характеристики при випробуваннях на розтягування, стиск, вигин, кручення, шляхом аналізу кривих, побудованих у координатах «навантаження – деформація», які називаються кривими деформації.

Надійність оцінюється за ударною в'язкістю (КСU, або a_k, МДж/м² – згідно зі стандартами), тобто за роботою руйнування матеріалу й за тріщиностійкістю або, інакше кажучи, здатністю матеріалу протистояти розвитку тріщини.

Довговічність виробів залежить від умов їхньої експлуатації й характеризується такими параметрами, як опір повзучості (під навантаженнями при високих температурах), опір втомі (при циклічних навантаженнях) і опір зношуванню (стиранню при терті дотичних поверхонь).

Визначення всіх перерахованих вище характеристик проводиться шляхом проведення спеціальних випробувань і є досить трудомісткою операцією, що вимагає спеціального устаткування. Найбільш простим методом визначення механічних властивостей матеріалу є вимір твердості.

Твердістю називають опір матеріалу пластичної деформації при контактних навантаженнях, для яких характерна різка зміна напружень у поверхневому шарі матеріалу. Найпоширенішими методами виміру твердості є методи Брінелля, Роквелла, Віккерса.

У методі Брінелля в зразок вдавлюють сталеву кульку й величину твердості визначають за відношенням навантаження (P) до площі відбитка (S). Позначається твердість як HB. У методі Роквелла індентором може бути або сталева кулька (шкала В при навантаженні 1000 Н (Ньютон)), або алмазний конус (шкала С при навантаженні 1500 Н і А – при навантаженні 600 Н). Числом твердості є деяка умовна величина, пов'язана із глибиною відбитка при вдавленні індентора. Ця величина визначається безпосередньо за шкалами приладу. Залежно від індентора, що використовують і шкали, твердість позначається як HRB, HRC і HRA. Кулька використовується для визначення твердості відносно м'яких матеріалів, а алмазний конус  для твердих, причому

шкала A використовується для виміру твердості тонколистових матеріалів. У методі Віккерса індентором служить алмазна пірамідка. Твердість визначається за величиною діагоналі відбитка й позначається HV. Цей метод частіше використовують для визначення твердості тонких стрічок і покриттів.

Міцність матеріалу залежить від його хімічного складу, концентрації домішок і розмірів зерна. Міцність матеріалу залежить також істотно й від наявності у матеріалі дефектів – дислокацій. У реальних кристалах границя текучості – σ_0,2 і границя міцності σ_в, пропорційні r^1/2, де r – щільність дислокацій, 1/м². Якби дислокацій у реальному кристалі не існувало, то міцність таких кристалів була б у тисячу разів більшою, ніж звичайно вимірювана, і була б близька до теоретично розрахованої. Такі «бездислокаційні» кристали у наш час спеціально вирощують. Вони одержали назву «вискерсів» («вусів»). Розміри їх відповідають за діаметром 1 – 2 мкм, а за довжиною 3 – 4 мм. Виміряно і їхню міцність, вона, дійсно близька до теоретично розрахованої. Так, для заліза вона дорівнює 14000 МПa (міцність звичайного монокристала заліза з дислокаціями дорівнює 10–20 МПa). Описані бездислокаційні монокристали одержали вже й промислове використання в точному приладобудуванні, годинковій промисловості й інших галузях.

Література: 1, 2, 3.