Właściwości mechaniczne materiałów metalicznych odnoszą się do różnych właściwości wykazywanych pod działaniem sił zewnętrznych, które decydują o przydatności i trwałości materiałów w różnych środowiskach. Poniżej przedstawiono główne wskaźniki właściwości mechanicznych materiałów metalicznych:
1. Wytrzymałość i granica plastyczności
Wytrzymałość to zdolność materiału metalicznego do przeciwstawienia się działaniu siły zewnętrznej (obciążenia) i uniknięcia nadmiernego odkształcenia plastycznego lub pęknięcia. Jest to najbardziej podstawowy i jeden z najważniejszych wskaźników właściwości mechanicznych materiałów metalowych. Wytrzymałość można podzielić na różne rodzaje, m.in. wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na zginanie i wytrzymałość na ścinanie, spośród których najczęściej stosowana jest wytrzymałość na rozciąganie.
- Wytrzymałość na rozciąganie (σb lub Rm): odnosi się do maksymalnej wartości naprężenia, jaką materiał może wytrzymać podczas rozciągania, tj. maksymalnego naprężenia, jakie można osiągnąć przed oderwaniem. Odzwierciedla odporność materiału na pękanie, symbolizowaną jako Rm lub σb, a jednostką jest MPa (megapaskale). Wytrzymałość na rozciąganie jest ważnym parametrem oceny wytrzymałości i zdolności materiału do odkształcenia plastycznego.
- Granica plastyczności (σs lub ReL, Rp0,2): odnosi się do materiału w procesie rozciągania, gdy naprężenie osiągnie określoną wartość krytyczną, nawet jeśli naprężenie nie będzie już zwiększane, materiał będzie nadal ulegał znacznemu odkształceniu plastycznemu o wartości naprężenia. W przypadku materiałów z oczywistym zjawiskiem plastyczności granica plastyczności jest granicą plastyczności naprężenia; w przypadku materiałów bez oczywistego zjawiska plastyczności zwykle określa się, że granica plastyczności wynosi 0,2% odkształcenia szczątkowego wartości naprężenia, co jest znane jako warunek granicy plastyczności. Granica plastyczności jest początkiem odkształcenia plastycznego materiału, jest ważnym symbolem, ale także konstrukcyjnym powszechnie stosowanymi wskaźnikami wytrzymałości.
2. plastyczność i wydłużenie
Plastyczność odnosi się do zdolności materiału metalicznego do wytwarzania znacznych odkształceń plastycznych bez pękania pod wpływem sił zewnętrznych. Materiał o dobrej plastyczności może absorbować dużą ilość energii poprzez odkształcenie plastyczne, poprawiając w ten sposób jego odporność na uderzenia i zmęczenie.
- Wydłużenie (δ): Procent całkowitego wydłużenia materiału po zerwaniu przy rozciąganiu w stosunku do pierwotnie zaznaczonej długości. Jest to ważny wskaźnik plastyczności materiału. Inżynieria zwykle δ Większa lub równa 5% materiału nazywana jest tworzywami sztucznymi, takimi jak stal miękka, aluminium, miedź itp.; oraz δ Mniej niż lub równo 5% materiału nazywa się materiałami kruchymi, takimi jak żeliwo, szkło, ceramika itp.
- Skurcz przekroju (ψ): odnosi się do odsetka maksymalnego zredukowanego obszaru przekroju w stosunku do pierwotnego obszaru pęknięcia materiału po pęknięciu przy rozciąganiu. Jest to również ważny wskaźnik do pomiaru plastyczności materiału. Wraz z wydłużeniem pozwala kompleksowo ocenić zdolność materiału do odkształcenia plastycznego.
3. Twardość
Twardość to zdolność materiału do przeciwstawiania się innym twardszym obiektom wciśniętym w jego powierzchnię. Jest wskaźnikiem stopnia twardości i miękkości materiału, a także ważnym parametrem odzwierciedlającym odporność materiału na zużycie i skrawalność.
- Twardość Brinella (HBS, HBW) i twardość Rockwella (HRA, HRB, HRC): to dwie powszechnie stosowane metody badania twardości. Twardość Brinella ma zastosowanie do bardziej miękkich materiałów, natomiast twardość Rockwella ma zastosowanie do twardszych materiałów. Badanie twardości można wykorzystać nie tylko do oceny właściwości mechanicznych materiału, ale także do sprawdzenia jakości warstwy wierzchniej materiału, takiej jak odwęglenie i nawęglanie.
4. Odporność na uderzenia
Udarność to zdolność materiału do wytrzymywania obciążeń udarowych. Jest ważnym wskaźnikiem odporności materiałów na pękanie pod obciążeniem dynamicznym.
- Wartość udarności (Ak): zwykle wyrażona w dżulach na centymetr kwadratowy (J/cm²) jako jednostka, wskazująca zdolność materiału do pochłaniania energii pod działaniem obciążenia udarowego. Materiał o dobrej udarności ma wysoką odporność na pękanie udarowe i nadaje się do zastosowań, w których należy zastosować obciążenia udarowe.
5. Moduł sprężystości
Moduł sprężystości to stosunek naprężenia do odkształcenia podczas fazy odkształcenia sprężystego materiału. Jest to ważna miara sztywności materiału.
- Moduł sprężystości (E): zwykle wyrażany w paskalach (Pa) lub gigapaskalach (GPa). W przypadku typowych materiałów metalicznych, takich jak stal, moduł sprężystości wynosi zazwyczaj od 200 do 210 GPa. Materiały o wysokim module sprężystości charakteryzują się także dużą sztywnością i dużą odpornością na odkształcenia sprężyste.
6. Odporność na pękanie
Odporność na pękanie to zdolność materiału do przeciwstawiania się rozszerzaniu się pęknięć, gdy zawiera pęknięcia. Jest to ważny wskaźnik odporności materiału na kruche pękanie.
- Odporność na pękanie (KIC): wskazuje współczynnik intensywności naprężenia materiału w warunkach odkształcenia płaskiego, kiedy pęknięcie zaczyna się rozszerzać. Materiały o wysokiej odporności na pękanie mają również dużą odporność na kruche pękanie i nadają się do zastosowań wymagających środowiska o dużym naprężeniu lub niskiej temperaturze.
7. Wytrzymałość zmęczeniowa
Wytrzymałość zmęczeniowa to zdolność materiału do przeciwstawienia się uszkodzeniom zmęczeniowym pod wpływem zmiennych obciążeń. Jest to ważny wskaźnik długoterminowej-żywotności materiału.
- Granica zmęczenia (σ-1): wskazuje maksymalną wartość naprężenia materiału pod nieskończonymi czasami obciążenia zmiennego bez uszkodzeń zmęczeniowych. Materiały o wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej mają również długą żywotność i nadają się do zastosowań, w których muszą wytrzymać obciążenia zmienne.
Wskaźniki właściwości mechanicznych materiałów metalowych obejmują wytrzymałość, plastyczność, twardość, udarność, moduł sprężystości, odporność na pękanie i wytrzymałość zmęczeniową. Wskaźniki te łącznie określają przydatność i trwałość materiałów metalowych w różnych środowiskach. W zastosowaniach praktycznych konieczne jest dobranie odpowiednich materiałów metalowych zgodnie ze specyficznymi wymaganiami użytkowania, aby uzyskać najlepszą jakość produktu i efekt użytkowy.
