Механические свойства материалов. Предел прочности. Испытания на твердость.

К основным механическим свойствам материалов относят прочность, упругость, пластичность, релаксацию, хрупкость, твердость, истираемость и др.

Прочность - способность материалов сопротивляться разрушению и деформациям от внутренних напряжений, возникающих в результате воздействия внешних сил или других факторов, таких как неравномерная осадка, нагревание и т. п. Оценивается она пределам прочности. Так называют напряжение, возникающее в материале от действия нагрузок, вызывающих его разрушение.

Различают пределы прочности материалов при сжатии, растяжении, изгибе, срезе и пр. Предел прочности при сжатии и растяжении вычисляется как отношение нагрузки, разрушающей материал Р, Н, к площади поперечного сечения F, мм².

Предел прочности при изгибе вычисляют как отношение изгибающего момента M, Нхмм, к моменту сопротивления образца, мм3.

Важной характеристикой материалов является коэффициент конструктивного качества. Это условная величина, которая равна отношению предела прочности материала к его относительной плотности.

Упругость - способность материалов под воздействием нагрузок изменять форму и размеры и восстанавливать их после прекращения действия нагрузок.
Упругость оценивается пределом упругости, который равен отношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных деформаций материала, к площади первоначального поперечного сечения.

Пластичность - способность материалов изменять свою форму и размеры под воздействием нагрузок и сохранять их после снятия нагрузок. Пластичность характеризуется относительным удлинением или сужением.
Разрушение материалов может быть хрупким или пластичным. При хрупком разрушении пластические деформации незначительны.

Релаксация - способность материалов к самопроизвольному снижению напряжений при постоянном воздействии внешних сил. Это происходит в результате межмолекулярных перемещений в материале.

Твердость - способность материала оказывать сопротивление проникновению в него более твердого материала.
Для разных материалов она определяется по разным методикам. Так, при испытании природных каменных материалов пользуются шкалой Мооса, составленной из 10 минералов, расположенных в ряд, с условным показателем твердости от 1 до 10, когда более твердый материал, имеющий более высокий порядковый номер, царапает предыдущий. Минералы расположены в следующем порядке: тальк или мел, гипс или каменная соль, кальцит или ангидрит, плавиковый шпат, апатит, полевой шпат, кварцит, топаз, корунд, алмаз.
Твердость металлов, бетона, древесины, пластмасс оценивают вдавливанием в них стального шарика, алмазного конуса или пирамиды.
Твердость материала не всегда соответствует прочности. Так, древесина имеет прочность, одинаковую с бетоном, но значительно меньшую твердость.

Истираемость - способность материалов разрушаться под действием истирающих усилий. Истираемость в г/см² вычисляется как отношение потери массы образцом в г от воздействия истирающих усилий к площади истирания F в см2.

Износ - свойство материала сопротивляться одновременному воздействию истирания и ударов. Износ материала зависит от его структуры, состава, твердости, прочности, истираемости.
Хрупкость - свойство материала внезапно разрушаться под воздействием нагрузки, без предварительного заметного изменения формы и размеров. Хрупкому материалу, в отличие от пластичного, нельзя придать при прессовании желаемую форму, так как такой материал под нагрузкой дробится на части, рассыпается. Хрупки камни, стекло, чугун и др.

Проще говоря, твердость - это сопротивление материала постоянному вдавливанию. Важно понимать, что испытание на твердость - эмпирическое, следовательно, твердость - нематериальное свойство. Существует несколько типов испытаний на твердость, каждое из которых определяет различную величину твердости для одного и того же материала. Таким образом, твердость зависит от метода испытания, и каждый результат испытания должен иметь лейбл, указывающий использованный метод испытания.

Однако твердость широко применяется для описания свойств материалов и определения их пригодности к использованию. Все испытания на твердость, описанные в данном разделе, предусматривают использование индентора специальной формы, значительно более твердого, чем образец испытания, который вдавливается в поверхность образца специальным усилием. Для определения величины твердости измеряется глубина проникновения или размер выемки.