Понимание различных характеристик поведения материалов является ключом к успешному проектированию. Совокупность описаний, определяющих, как ведёт себя материал, называется свойствами материала. Удивительно, насколько разительно могут отличаться материалы, которые кажутся столь похожими! Например, алюминиевые сплавы 5052 и 7075 содержат минимум 87% одинакового вещества, но при этом 7075 почти в три раза прочнее!
В этой статье свойства материалов будут объяснены простым языком, чтобы даже начинающий конструктор смог разобраться в их практическом значении.
Плотность — довольно простое свойство, определяющее массу в единице объёма. Грубо говоря, это вес объекта из определённого материала стандартного размера. Обычно плотность выражается в фунтах на кубический дюйм (lb/in³) или фунтах на кубический фут (lb/ft³). Кубический дюйм — это объём куба с длиной ребра в один дюйм, а кубический фут — куб с длиной ребра в один фут.
Многие слышали загадку: «Что тяжелее — фунт пуха или фунт кирпичей?». В этой загадке разыгрывается именно разница в плотности, потому что перья гораздо менее плотные, чем кирпичи, и занимают больший объём.
С практической точки зрения, плотность критически важна, когда играет роль вес изделия. При проектировании летающих, плавающих, движущихся или просто чувствительных к массе объектов, плотность обязательно учитывается при выборе материала.
В качестве примера сравним низкоуглеродистую сталь и алюминий 6061. Алюминий 6061 обладает сравнимой прочностью на разрыв, но почти втрое менее плотный, а значит, имеет значительно лучшее соотношение прочности к весу.
| Материал | Низкоуглеродистая сталь | Алюминий 6061 T6 |
| Плотность [фунт/фут³] | 490 | 170 |
| Предел текучести [кси] | 45 | 39 |
Плотность определяет, будет ли объект плавать или тонуть. Если предмет плотнее воды, он утонет, как стальная деталь в стакане. Если менее плотный — всплывёт, как сосновая дощечка. Оба объекта одинакового размера, но их взаимодействие с водой определяется именно плотностью.
В последующих разделах будут рассмотрены различные виды прочности материала. Но прежде важно в общих чертах понять, что такое прочность. Прочность материала — это его способность противостоять нагрузкам. То есть это уровень напряжения, при котором материал начинает разрушаться. Напряжение определяется как сила, делённая на площадь (сила/площадь), и аналогично давлению.
В качестве примера напряжения рассмотрим воздушный шар. Если на него надавить ладонью с усилием в 20 фунтов, ничего не произойдёт. Но если даже небольшая часть этой силы будет приложена остриём ножа, шар лопнет. Ладонь распределяет силу по большой площади, снижая давление, а нож концентрирует нагрузку в очень малой точке, резко увеличивая давление. Это наглядно демонстрирует важность напряжения в реальных ситуациях.
Усталость материала — достаточно сложное явление. Она проявляется как разрушение детали под действием многократных циклов нагрузки и разгрузки, то есть многократного приложения и снятия силы. Каждый цикл наносит микроповреждения, и в итоге деталь выходит из строя.
Классический пример — скрепка. Если её выпрямлять и сгибать в одном и том же месте несколько раз, она сломается именно в этом месте из-за усталости. Для материалов усталостная прочность — это уровень напряжения, который может выдерживаться заданное количество циклов. Чем больше циклов, тем ниже усталостная прочность, пока не будет достигнут предел для бесконечного числа циклов. На нашей странице материалов указана усталостная прочность именно для бесконечных циклов. Вот пример из характеристик алюминия 2024.
При учёте усталостной прочности нужно задать себе вопросы: сколько циклов должна выдержать конструкция? Одинакова ли нагрузка или она меняется? Меняется ли направление нагрузки? Все эти факторы влияют на усталостную долговечность изделия.
Практически, если деталь испытывает менее 1 000 циклов нагружения, усталость не является значимой проблемой.
В приведённом выше примере скрепка многократно сгибается в одном и том же месте до разрушения — это и есть усталостное разрушение.
Предел текучести — это момент, когда материал начинает удлиняться без увеличения нагрузки. Проще говоря, это начало пластической деформации, то есть необратимого изменения формы детали. Если аккуратно согнуть скрепку и использовать её по назначению, она вернётся в исходную форму; это упругая деформация, и предел текучести не достигнут.
Упругую деформацию можно сравнить с растяжкой резинки — она растягивается и возвращается. Но если скрепку согнуть слишком сильно, она навсегда изменит форму и не вернётся обратно. Это пластическая деформация, или текучесть, противоположность упругости.
С практической точки зрения, достижение предела текучести обычно рассматривается как разрушение детали. Большинство инженеров стремятся проектировать детали так, чтобы они никогда не испытывали напряжения, превышающего предел текучести, чтобы не ослаблять изделие.
В примере выше левая скрепка изгибается на 10 листах бумаги и возвращается к исходной форме, а правая — на 100 листах, после чего необратимо меняет форму.
Предел прочности — максимальное напряжение, которое материал выдерживает до разрушения. Это тот уровень нагрузки, при котором происходит полный обрыв. Предел текучести можно превысить без полного разрушения, но предел прочности — никогда. Каждый сталкивался с ситуацией, когда резинка рвётся при сильном растяжении. Это происходит, когда превышен предел прочности.
С практической точки зрения, предел прочности — это абсолютный максимум, который нельзя превышать, и при расчётах рекомендуется закладывать запас прочности.
Резинка, растянутая слишком сильно, рвётся, когда достигнут предел прочности на растяжение.
Срез — это разрушение материала под действием встречных нагрузок, стремящихся сдвинуть его части относительно друг друга. Например, ножницы разрезают бумагу, проводя лезвия мимо друг друга и прижимая бумагу между ними. Прочность на срез всегда ниже, чем предел текучести или прочности, поэтому её необходимо учитывать при проектировании, особенно с учётом направления нагрузки. Срез также важен при кручении.
Например, если перетянуть болт, он может сломаться. Как правило, это разрушение происходит именно по срезу, если в металле нет дефекта.
На практике направление приложения нагрузки в конструкции обязательно учитывается. Прочность на срез, как и предел прочности, не должна быть превышена — иначе деталь разрушится.
На рисунке выше показаны три основных типа простых нагрузок. Отличие среза от сжатия в том, что при срезе силы смещены относительно друг друга, а не направлены навстречу. Пунктирная линия на диаграмме среза обозначает плоскость среза, то есть середину между двумя противоположно направленными силами.
Модуль упругости, также известный как модуль Юнга, описывает сопротивление материала деформации, то есть его жёсткость. Согласно закону Гука, любое тело ведёт себя как пружина, пока не произойдёт разрушение (например, текучесть). При приложении силы материал растягивается или сжимается, но возвращается к исходной форме — это и есть проявление модуля упругости.
Практически модуль упругости помогает определить, насколько гибким будет материал и какое напряжение возникнет при заданном изменении длины. Чем выше модуль упругости, тем материал жёстче (например, металлы); чем ниже — тем он мягче (например, пластик).
Примечание: у металлов сложно визуально заметить пружинящие деформации, поскольку они очень малы, но поведение аналогично резинке.
Модуль сдвига, или модуль жёсткости, аналогичен модулю упругости, но описывает сопротивление материала срезу. Он рассчитывается как отношение напряжения среза к деформации среза. Модуль сдвига показывает, насколько материал пружинит при приложении сдвигающей нагрузки.
На практике модуль сдвига используется для расчёта модуля упругости через его взаимосвязь с коэффициентом Пуассона, который описан ниже.
Коэффициент Пуассона — это отношение между продольной и поперечной деформацией материала. Проще говоря, он показывает, насколько материал сужается в одном направлении при удлинении в другом.
Для большинства применений этот коэффициент не играет большой роли, но для инженерных расчётов и анализа он может быть критически важен.
Интересный факт: существуют редкие материалы, которые при растяжении увеличиваются в обоих направлениях одновременно. Это достигается за счёт уменьшения их плотности, и такие материалы не применяются в несущих конструкциях.
Относительное удлинение при разрыве показывает, насколько материал может растянуться перед разрушением. На нашей странице материалов этот показатель выражается в процентах. Например, если проба алюминия 6061 длиной 1 дюйм разрывается при удлинении до 1,10 дюйма, значит относительное удлинение при разрыве равно 10%. Это свойство связывается с пластичностью материала — его способностью растягиваться перед разрушением. Пластичные материалы противоположны хрупким: стекло хрупкое, оно почти не гнётся перед поломкой, а резинка очень пластична и сильно растягивается.
В реальности способность материала к растяжению может быть как преимуществом, так и недостатком. Иногда важно сохранить точность размеров даже ценой разрушения детали, а иногда — возможность растяжения помогает снизить риск поломки чувствительных частей.
Алюминий может удлиниться лишь на 10% до разрыва, а резинка — более чем на 200%.
Твёрдость по Бринеллю — один из способов измерения твёрдости материала, то есть его сопротивления локальной деформации. Твёрдость тесно связана с модулем упругости, обычно оба параметра растут или падают одновременно. Для сравнения: пена легко прогибается под любым предметом (низкая твёрдость), а сталь практически не проминается (высокая твёрдость).
На практике высокая твёрдость бывает полезна, но часто сопровождается хрупкостью материала — то есть он либо держит нагрузку, либо ломается внезапно. Твёрдость особенно важна при проектировании деталей, подвергающихся ударам или истиранию.
На рисунке выше пуансон вдавливался в материалы с одинаковой силой. Мягкая древесина сильно промялась, а сталь осталась почти без следа.
Теплопроводность определяет, насколько быстро материал передаёт тепло. Чем выше показатель, тем быстрее материал нагревается. Например, если кусок стали и кусок алюминия одинакового размера поместить в огонь на 10 секунд, алюминий нагреется примерно в три раза сильнее, чем сталь.
Это свойство особенно важно для деталей, которые могут быть повреждены перегревом. Однако, высокая теплопроводность — палка о двух концах: сталь медленнее нагревается, но и остывает дольше, чем алюминий.
Температура плавления — температура, при которой материал переходит из твёрдого состояния в жидкое. Для воды, например, температура плавления (она же замерзания) составляет 0°C. При нагревании вода плавится, при охлаждении — замерзает.
На практике этот параметр важен для высокотемпературных применений, когда изделие может испытать сильный нагрев или трение.
Примечание: некоторые материалы, в частности закалённые сплавы типа 6061-T6, могут терять свои свойства при температурах значительно ниже температуры плавления. Изменение кристаллической структуры разрушает закалку, делая материал гораздо слабее.
Магнитные свойства — это способность металла притягиваться магнитом. Обычно магнитными бывают материалы, содержащие железо, кобальт и/или никель. Степень магнитности может различаться. Например, чтобы определить, изготовлен ли фрезерный инструмент из твёрдого сплава или из быстрорежущей стали, проверяют его магнитность: быстрорежущая сталь гораздо магнитнее карбида.
На практике магнитные материалы удобны при обработке и перемещении крупных деталей, но могут создавать помехи в электронике.
Ржавчина — это оксид железа. Хотя многие материалы окисляются, только у некоторых оксидная плёнка вызывает коррозию. Для алюминия и титана оксид образует защитный слой, а для низкоуглеродистой стали — наоборот, окись железа (ржавчина) разрушает металл.
Практически это означает: если изделие изготовлено из металла, склонного к ржавлению, и будет контактировать с водой или высокой влажностью, его необходимо защитить покрытием. Мы предлагаем порошковую окраску, чтобы уберечь ваши изделия от воздействия окружающей среды!
Ferrum — латинское название железа, поэтому оно обозначается как Fe в таблице Менделеева. Ферросодержащие материалы — это материалы, содержащие железо.
Слева — алюминий, который быстро покрывается защитной оксидной плёнкой. Справа — низкоуглеродистая сталь, со временем покрывающаяся коррозионным слоем ржавчины.
Химический состав определяет, из каких именно элементов состоит материал. Например, алюминий 5052 содержит 95,8–97,7% чистого алюминия с добавками других элементов, образуя сплав. Сплав — это смесь двух или более металлов. Число «5052» — это обозначение конкретного сплава по стандарту, в котором задан состав и пропорции компонентов. Эти элементы влияют на свойства материала. Некоторые алюминиевые сплавы значительно прочнее других. Так, предел прочности алюминия 5052 — 34 ksi, а у 7075 — 81 ksi. Хотя оба материала на 87% идентичны, оставшиеся 13% формируют более чем двукратное отличие в прочности.
В большинстве случаев состав материала не влияет на проектирование, если нет ограничений на использование определённых элементов (например, свинца) или нежелательных реакций с отдельными компонентами.
Свойства материалов включают множество характеристик и особенностей, настолько обширных, что посвящены целые книги. В этой статье приведён лишь краткий обзор основ, чтобы дать общее представление о свойствах материалов и их эффективном использовании при проектировании.
