Способы изучения свойств материалов

Свойства материалов: физические, химические, механические, методы определения

Каждый предмет, окружающий человека, изготовлен из определенного сырья. В его качестве выступают различные материалы. Для того чтобы эффективнее их использовать, прежде всего следует тщательно исследовать присущие им свойства и характеристики.

Виды свойств

В настоящее время исследователи определили три основных вида свойств материалов:

Каждое из них описывает определенные характеристики того или иного материала. В свою очередь они могут комбинироваться, например, физические и химические свойства материалов объединяются в физико-химические.

Физические свойства

Физические свойства материалов дают характеристику их строения, а также отношения к любого рода процессам (физического характера), которые исходят из внешней среды. Эти свойства могут быть:

Удельными характеристиками строения и структурными характеристиками — истинная, средняя и насыпная плотности; закрытая, открытая или общая плотности.

Все они относятся к основным физическим свойствам материалов и веществ.

Удельные характеристики

Истинной плотностью называется физическое свойство материалов, которое выражается отношением массы вещества к его объему. При этом исследуемый объект должен пребывать в абсолютной плотности, то есть без пустот и пор. Средней плотностью называют физическую величину, которая определяется отношением массы вещества к объему, занимаемому им в пространстве. При расчете этого свойства объем объекта включает в себя все внутренние и внешние поры и пустоты.

Сыпучим веществам характерно такое физическое свойство материалов, как насыпная плотность. Объем такого объекта исследования включает в себя не только пористость материала, но и образовавшиеся между элементами вещества пустоты.

Пористость материала – это величина, которая выражает степень заполненности общего объема вещества порами.

Гидрофизические свойства

Последствия воздействия на материал воды или морозов во многом зависят от степени его плотности и пористости, которые влияют на уровень водопоглощения, водопроницаемости, морозостойкости, теплопроводности и др.

Водопоглощением называется способность вещества впитывать и удерживать в себе влагу. Высокий уровень пористости при этом играет важную роль.

Влагоотдача является свойством, противоположным водопоглощению, то есть характеризует материал со стороны отдачи влаги в окружающую его среду. Эта величина играет важную роль в обработке некоторых веществ, например, строительных, которые в процессе возведения имеют высокую влажность. Благодаря влагоотдаче они высыхают до тех пор, пока их влажность не сравняется с окружающей средой.

Гигроскопичность – это свойство предусматривающее поглощение объектом водяных паров извне. Например, древесина способна поглощать много влаги, в результате чего растет ее масса, снижается уровень прочности и меняется размер.

Усушка или усадка – это гидрофизическое свойство материалов, которое предусматривает уменьшение его объемов и размера в процессе высыхания.

Водостойкостью называется способность вещества сохранять свою прочность в результате увлажнения.

Морозостойкостью является способность материала, насыщенного водой, многократно выдерживать заморозку и оттаивание без снижения уровня прочности и разрушения.

Теплофизические свойства

Как упомянуто выше, такие свойства описывают последствия воздействий тепла или холода на вещества и материалы.

Теплопроводностью называется способность объекта передавать тепло от поверхности к поверхности через свою толщу.

Теплоемкость – свойство вещества, предусматривающее поглощение определенного количества тепла при нагревании и выделение того же количества тепла при охлаждении.

Огнестойкостью называется физическое свойство материала, которое описывает его способность противостоять действию высокой температуры и жидкости при пожаре. В соответствии с уровнем огнестойкости материалы и вещества могут быть несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Огнеупорность – это способность объекта выдерживать длительные воздействия высокими температурами без последующего расплавления и деформации. В зависимости от уровня огнеупорности вещества могут быть огнеупорными, тугоплавкими и легкоплавкими.

Паро- и газопроницаемостью называется физическое свойство материалов пропускать через себя под давлением воздушные газы либо водяной пар.

Химические свойства

Химическим называются свойства, которые описывают способность материалов реагировать на воздействия окружающей среды, ведущие к изменениям в их химической структуре. Кроме того, к таким свойствам относятся и характеризующие вещества со стороны их влияния на структуры других объектов. С точки зрения химических свойств материалы описываются уровнем растворимости, кислото- и щелочестойкостью, газоустойчивостью и антикоррозийностью.

Растворимостью обозначается способность вещества к растворению в воде, бензине, масле, скипидаре и других растворителях.

Кислотостойкость показывает уровень стойкости материала к воздействию минеральных и органических кислот.

Щелочестойкость учитывается при технологических обработках веществ, так как помогает распознать их природу.

Газостойкостью характеризуют способность объекта противостоять взаимодействию с газами, которые входят в состав атмосферы.

С помощью показателя антикоррозийности можно узнать, насколько вещество поддается разрушению коррозией, возникающей в результате воздействия на него внешней среды.

Механические свойства

Механическими свойствами называются реакции материалов на приложенные к ним механические нагрузки.

Физические и механические свойства материалов часто пересекаются, однако существует ряд исключительно механических показателей. Со стороны механики вещества характеризуются упругостью, прочностью, твердостью, пластичностью, усталостью, хрупкостью и др.

Упругостью является способность тел (твердых) к сопротивлению воздействиям, направленным на изменение их объема либо формы. Объект с высокой величиной упругости устойчив к механическим напряжениям и способен самостоятельно восстанавливаться, возвращаясь в исходное состояние после прекращения воздействия.

Прочность показывает, насколько материал устойчив к разрушению. Его максимальный показатель для определенного объекта называется пределом прочности. Пластичность также относится к прочностным показателям. Она является свойством (характерным для твердых тел) бесповоротно изменять свой внешний вид (деформироваться) под влиянием сил, исходящих извне.

Усталостью называется накопительные процесс, при котором в результате повторяющихся механических воздействий растет уровень внутреннего напряжения материала. Этот уровень будет увеличиваться до тех пор, пока не пересечет предел упругости, в результате чего материал начнет разрушаться.

Одним из самых распространенных свойств является твердость. Она представляет собой уровень сопротивления объекта вдавливанию.

Методика определения физических свойств

Для того чтобы узнать определенные физические свойства материала, используются различные способы, каждый из которых направлен на исследование какого-то определенного показателя.

Для того чтобы определить плотность образца материала, зачастую пользуются методом гидростатического взвешивания. Он предусматривает измерение объема вещества по массе вытесняемой им жидкости. Истинную плотность рассчитывают математическим путем, разделив массу объекта на его абсолютный объем.

Эксперимент по определению величины водопоглощения производится в несколько этапов. Прежде всего образец материала взвешивается, производится измерение его размеров и вычисляется объем. После этого он погружается в воду на 48 часов для насыщения жидкостью. Спустя 2 дня образец достают из воды и немедленно взвешивают, после чего математическим путем вычисляется водопоглощение материала.

Большинство методов определения физических свойств материалов на практике сводятся к использованию специальных формул.

Определение химических свойств

Все основные химические свойства веществ определяются путем создания условий для взаимодействия объекта исследования с различными реагентами. Для определения растворимости используется вода, масло, бензин и другие растворители. Уровень окисления и подверженности образованию коррозии определяется с помощью различных окислителей, которые способствуют общим, петтинговым и межкристаллитным реакциям.

Определение механических характеристик

Механические свойства веществ в значительной степени зависят от их структуры, сил, которые к ним прикладываются, температуры и внешнего давления. Практически все механические характеристики материалов устанавливаются в процессе лабораторных испытаний. Самыми простыми из них являются растяжение, сжатие, кручение, нагружение и изгиб. Так, например, предел прочности материала при изгибе и сжатии определяется при помощи гидравлического пресса.

Кроме того, при определении механических свойств также используют специальные формулы, которые зачастую основываются на массе объекта и его объеме.

Источник

Основные свойства материалов и методы их определения

Свойства материалов можно разбить на следующие основные группы:

2) тепловые (температурные);

3) химические (сопротивление металлов коррозии);

5) электрические и магнитные.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства: прочность, твердость, выносливость и др. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. Многообразие условий службы материалов обуславливает проведение большого числа механических испытаний

Испытание на растяжение. Этот вид испытанийотносится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде. Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в зажимы испытательной машины. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка (P) – абсолютное удлинение образца (). По диаграмме растяжения определяют следующие характеристики механических свойств металла.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_о (σ = P/F_о).

Предел пропорциональности (σ_пц) – это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями (в качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении σ_пц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком).

Предел текучести (σ_т) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Предел прочности (временное сопротивление, σ_B) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Под ее действием материал деформируется. В качестве основного показателя пластичности обычно принимают относительное остаточное удлинение δ,равное остаточному удлинению

к первоначальной длине образца .

Испытание на твердость. Это самый простой вид механических испытаний.

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность. Под инденторомпонимается твердосплавный наконечник (в виде шара, пирамиды или конуса), твердость которого существенно превосходит твердость испытуемого материала.

Наибольшее распространение получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки P и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю (HB) определяется как отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка M. Твердость по Бринеллю обозначается символом HB с указанием числа твердости. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 HB.

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине α = 136º. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV определяется как отношение нагрузки P к площади пирамидального отпечатка M. Твердость по Виккерсу обозначается символом HV, при этом размерность не ставится (кгс/мм²).

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120º при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR и выражается в условных безразмерных единицах.

Испытание на усталость. Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении. Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушений, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

Схема испытаний на усталость следующая. Циклическое напряжение осуществляется подвешенным на подшипнике неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца. В результате у образца верхняя поверхность работает на растяжении (σmax), а нижняя – на сжатии (σmin). За один оборот образца каждая поверхность проходит полный цикл напряжения, от максимального до минимального.

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламентирована ГОСТ 25.502-79. В результате таких испытаний снимают кривую (диаграмму) усталости – это зависимость между максимальным приложенным напряжением и числом циклов. Обычно диаграммы принимают одну из форм: а) имеющих предел выносливости; б) не имеющих предела выносливости.

У части материалов кривая усталости переходит в горизонталь: у сталей это обычно наблюдается после 10 7 циклов нагружения, для цветных металлов это значение составляет обычно 10 8 циклов. Для этих материалов сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (σ_R), под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушение образца при любом числе циклов (физический предел выносливости).

У других материалов кривая усталости не переходит в горизонталь, а продолжает снижаться. Для таких материалов обычно задают базу испытаний (Nn) – предварительно заданная наибольшая продолжительность испытаний на усталость. Под пределом ограниченной выносливости σ_RN понимают максимальное напряжение, при котором материал может выдержать Nn циклов.

Источник