Механическими свойствами материалов называют их способность сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.

Деформации, которые исчезают после снятия нагрузки (при этом материал принимает первоначальную форму), называют упругими. Деформации, которые остаются после снятия нагрузки, называют остаточными.

В зависимости от характера действия приложенных к образцу или изделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига (среза), кручения (рис. 1).

Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания образцов могут быть статическими, когда на образец действует постоянная или медленно возрастающая нагрузка, динамическими, когда на образец действует мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повторно-переменными (усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению. Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.

Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних воздействий (сил, нагрузок). Напряжение служит для оценки нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела.

Напряжения, действующие вдоль оси образца, называют нормальными и обозначают σ (сигма). Нормальные напряжения в паскалях определяются отношением сил Р в ньютонах, действующих вдоль оси детали или образца, к площади их поперечного сечения S в квадратных метрах:

Нормальные напряжения в зависимости от направления действующих нагрузок бывают сжимающими (рис. 1,а) и растягивающими (рис. 1,6).

Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательными и обозначают τ (тау). Под действием касательных напряжений происходит деформация среза (рис. 1,г).

Напряжения, определяемые при механических испытаниях образцов на специальных машинах, используют при расчетах деталей машин на прочность.

Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают в них напряжения, которые в свою очередь вызывают деформации деталей. Например, канат автомобильного крана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытывает напряжение растяжения, поэтому и подвергается деформации растяжения. Под действием сжимающих напряжений деформацию сжатия испытывают станины и фундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стреле автомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напряжения изгиба (рис. 1,в), которые вызывают деформацию изгиба стрелы. Деформации изгиба испытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда, башенного или козлового крана. На срез работают заклепочные соединения, стопорные болты.

Напряжения кручения вызывают деформацию кручения (рис. 1,д), например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.

Прочность — способность материалов воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.

Определение прочности на растяжение — наиболее важный и распространенный вид механических испытаний материалов (ГОСТ 1497-73). Образцы определенной формы и размеров испытывают на специальных разрывных машинах. Стандартный образец (рис. 2) закрепляют головками диаметром D в машине и медленно нагружают с постоянной скоростью. В результате возрастающей нагрузки происходит растяжение образца вплоть до разрушения по диаметру d₀.

При испытании производится автоматическая запись диаграммы растяжения (рис. 3), представляющей собой график изменения длины образца Δl в зависимости от приложенной нагрузки Р.

Определенные точки на диаграмме растяжения р, с, s, b отражают наиболее важные характеристики прочности: предел пропорциональности, условные пределы упругости, текучести и прочности.

Предел пропорциональности σ_пц, (точка р на диаграмме растяжения) — это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Р_пц, до которого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации образца будут остаточными.

Условный предел упругости σ_0,05 (точка с на диаграмме растяжения) — это напряжение, возникающее под действием нагрузки Р_0,05, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,05 % первоначальной длины образца. Практически предел упругости очень близок, пределу пропорциональности.

Условный предел текучести σ_т (точка s на диаграмме растяжения) — это напряжение, возникающее под действием нагрузки Р_т при котором остаточное удлинение достигает заданного значения, обычно 0,2 %, но иногда 0,1 или 0,3 % и более. В соответствия с этим условный предел текучести обозначается σ_0,2, σ_0,1 σ_0,3 и т. д. Следовательно, условный предел текучести отличается от условного предела упругости только заданным значением остаточного удлинения. Условный предел текучести соответствует напряжению, при котором происходит наиболее полный переход к пластической деформации металла.

Условный предел прочности σ_в (точка b на диаграмме растяжения) — условное наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Р_в, при котором происходит наибольшая равномерная по всей длине деформация образца. После точки s на участке sb диаграммы растяжения при дальнейшем увеличении нагрузки в образце развивается интенсивная пластическая деформаций. До точки b образец удлиняется равномерно по всей длине. В точке b начинается резкое уменьшение поперечного сечения образца на коротком участке с образованием так называемой шейки.

Предел прочности определяют по формуле


где σ_в — предел прочности материала, Па; P_в — нагрузка в точке b, H; S₀ — площадь поперечного сечения образца до испытания, м².

Характеристиками прочности пользуются при расчетах на прочность деталей машин. Практическое значение пределов пропорциональности, упругости и текучести сводится к тому, чтобы определить численное значение напряжений, под действием которых могут работать детали в машинах, не подвергаясь остаточной деформации σ_пц или подвергаясь деформации на небольшую допустимую величину σ_0,05, σ_0,2 и т. д.

Пластичность — способность материалов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Пластические свойства испытываемого образца определяют при испытаниях на растяжение. Под действием нагрузки образцы удлиняются, при этом поперечное сечение их соответственно уменьшается. Чем больше удлиняется образец при испытании, тем более пластичен материал. Характеристиками пластичности материалов служат относительные удлинение и сужение образцов.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине. Относительное удлинение δ (дельта) выражают в процентах и вычисляют по формуле


где l₀ — длина образца до начала испытания, м; l₁ — длина образца после разрыва, м (см. рис. 2).

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к площади поперечного сечения образца до начала испытания. Относительное сужение ψ (пси) выражают в процентах и вычисляют по формуле


где S₀ — площадь поперечного сечения образца до начала испытания, м²; S₁ — площадь поперечного сечения образца после разрыва, м².

Твердость — способность материалов сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала. Твердость можно определять непосредственно на деталях без их разрушения. Измерение твердости металлов и сплавов используют как метод оценки их механических свойств.

По твердости материала судят о других его свойствах. Например, для многих сплавов, чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, выше износостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием.

На практике твердость определяют преимущественно двумя способами. Если твердость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Бринеллю, если же твердость исследуемого материала больше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Роквеллу.

Ударная вязкость — характеристика материала, по которой оценивают его сопротивление хрупкому разрушению. При ударных нагрузках напряжения, возникающие в материале, действуют мгновенно, поэтому их трудно определить. Ударную вязкость определяют работой, затраченной на разрушение образца.

Многие детали машин и конструкции во время работы подвергаются ударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. Ударные нагрузки испытывают инструменты типа штампов, некоторые зубчатые передачи и т. д. При ударных нагрузках показатели механических свойств материалов могут существенно отличаться от аналогичных характеристик материала при статических нагрузках. Расчет деталей и конструкций на долговечность в работе при ударных нагрузках производят с учетом ударной вязкости.

Усталость — изменение механических и физических свойств материала под действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций.

В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, которые приводят к полному разрушению деталей. Подобное разрушение опасно тем, что может происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести.

Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т. е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз.

Цель испытаний на усталость (ГОСТ 2860-65) — количественная оценка способности материала (образца) работать при циклически изменяющихся нагрузках без разрушения. Цикл напряжений — совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Заданное число циклов нагружения при испытании называют базой испытания. Обычно база испытания составляет 10⁸ циклов нагружения. Если материал .выдержал базовое число циклов без разрушения, то он хорошо противостоит усталости и деталь из этого материала будет работать надежно. Под действием циклически изменяющихся нагрузок работают коленчатые валы двигателей, многие детали машин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.

Ползучесть — способность материалов к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки или напряжения.

Изделия, работающие при повышенных или высоких температурах, обладают меньшей прочностью, чем изделия, работающие при нормальной температуре. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки (напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться с течением времени.