Большая Советская Энциклопедия (МЕ)

В соответствии с этим М. с. м. измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм ²или Мн/м ²) ,деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгсЧ м/см ²или Мдж/м ²) ,скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в ммза 1 секили за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл) .М. с. м. определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

  В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам ( рис. 1 ): работать на ,сжатие, , , срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей М. с. м. и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, , ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг.

  Диаграмма деформации.Приложенная к образцу нагрузка вызывает его . Соотношения между нагрузкой и деформацией описываются т. н. диаграммой деформации ( рис. 2 ). Вначале деформация образца (при растяжении - приращение длины D l) пропорциональна возрастающей нагрузке Р, затем в точке nэта пропорциональность нарушается, однако для увеличения деформации необходимо дальнейшее повышение нагрузки Р; при D l> D l _вдеформация развивается без приложения усилия извне, при постепенно падающей нагрузке. Вид диаграммы деформации не меняется, если по оси ординат откладывать напряжение

а по оси абсцисс - относительное удлинение

( F ₀и l ₀- соответственно начальная площадь поперечного сечения и расчётная длина образца).

  Сопротивление материалов измеряется напряжениями, характеризующими нагрузку, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца

в кгс/мм ².Напряжение

при котором нарушается пропорциональный нагрузке рост деформации, называется пределом пропорциональности. При нагрузке Р< Р _nразгрузка образца приводит к исчезновению деформации, возникшей в нём под действием приложенного усилия; такая деформация называется упругой. Небольшое превышение нагрузки относительно Р _nможет не изменить характера деформации - она по-прежнему сохранит упругий характер. Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец без появления остаточной пластической деформации при разгрузке, определяет предел упругости материала:

  У конструкционных неметаллический материалов (пластмассы, резины) приложенная нагрузка может вызвать упругую, высокоэластическую и остаточную деформации. В отличие от упругой, высокоэластическая деформация исчезает не сразу после разгрузки, а с течением времени. Высокопрочные армированные полимеры (стеклопластики, углепластики и др.) разрушаются при удлинении 1-3%. На последних стадиях нагружения у некоторых армированных полимеров появляется высокоэластическая деформация. Высокоэластический модуль ниже модуля упругости, поэтому диаграмма деформации в этом случае имеет тенденцию отклоняться к оси абсцисс.

  Упругие свойства.В упругой области напряжение и деформация связаны коэффициентом пропорциональности. При растяжении s = Еd, где Е- т. н. модуль нормальной упругости, численно равный тангенсу угла наклона прямолинейного участка кривой s = s(d) к оси деформации ( рис. 2 ). При испытании на растяжение цилиндрического или плоского образца одноосному (s ₁>0; (s ₂= s ₃= 0) напряжённому состоянию соответствует трёхосное деформированное состояние (приращение длины в направлении действия приложенных сил и уменьшение линейных размеров в двух других взаимно перпендикулярных направлениях): d ₁>0; d ₂= d ₃< 0. Соотношение между поперечной и продольной деформацией (коэффициент Пуассона)

в пределах упругости для основных конструкционных материалов колеблется в довольно узких пределах (0,27-0,3 для сталей, 0,3-0,33 для алюминиевых сплавов). Коэффициент Пуассона является одной из основных расчётных характеристик. Зная m и Е, можно расчётным путём определить и модуль сдвига

и модуль объёмной упругости

  Для определения Е, G, и m пользуются .

  Сопротивление пластической деформации.При нагрузках Р> Р _внаряду со всё возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая, не исчезающая при разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении - удлинение) достигает заданной величины (по ГОСТ - 0,2 %), называется условным пределом текучести и обозначается

Практически точность современных методов испытания такова, что s _пи s _еопределяют с заданными допусками соответственно на отклонение от закона пропорциональности [увеличение ctg(90 - a) на 25-50 %] и на величину остаточной деформации (0,003-0,05 %) и говорят об условных пределах пропорциональности и упругости. Кривая растяжения конструкционных металлов может иметь максимум (точка в на рис. 2 ) или обрываться при достижении наибольшей нагрузки Р _{в ’}. Отношение

характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала. При наличии максимума на кривой растяжения в области нагрузок, лежащих на кривой левее в, образец деформируется равномерно по всей расчётной длине l ₀, постепенно уменьшаясь в диаметре, но сохраняя начальную цилиндрическую или призматическую форму. При пластической деформации металлы упрочняются, поэтому, несмотря на уменьшение сечения образца, для дальнейшей деформации требуется прикладывать всё возрастающую нагрузку. s _в, как и условные s _0,2, s _nи s _е, характеризует сопротивление металлов пластической деформации. На участке диаграммы деформации правее в форма растягиваемого образца изменяется: наступает период сосредоточенной деформации, выражающейся в появлении «шейки». Уменьшение сечения в шейке «обгоняет» упрочнение металлов, что и обусловливает падение внешней нагрузки на участке Р _в- P _k.

  У многих конструкционных материалов сопротивление пластической деформации в упруго-пластической области при растяжении и сжатии практически одинаково. Для некоторых металлов и сплавов (например, магниевые сплавы, высокопрочные стали) характерны заметные различия по этой характеристике при растяжении и сжатии. Сопротивление пластической деформации особенно часто (при контроле качества продукции, стандартности режимов термической обработки и в др. случаях) оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Испытания на твёрдость не требуют нарушения целостности детали и потому являются самым массовым средством контроля механических свойств. Твёрдость по Бринеллю (HB) при вдавливании шарика диаметром Dпод нагрузкой Рхарактеризует среднее сжимающее напряжение, условно вычисляемое на единицу поверхности шарового отпечатка диаметром d:

  Характеристики пластичности.Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением

или сужением

при сжатии - укорочением

(где h ₀и h _k- начальная и конечная высота образца), при кручении - предельным углом закручивания рабочей части образца Q, радили относительным сдвигом g = Q r(где r- радиус образца). Конечная ордината диаграммы деформации (точка kна рис. 2 ) характеризует сопротивление разрушению металла S _k, которое определяется

( F _k- фактическая площадь в месте разрыва).

  Характеристики разрушения.Разрушение происходит не мгновенно (в точке k), а развивается во времени, причём начало в разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке вк, а весь процесс заканчиваться при постепенно падающей до нуля нагрузке. Положение точки к на диаграмме деформации в значительной степени определяется жёсткостью испытательной машины и иннерционностью измерительной системы. Это делает величину S _kв большой мере условной.

  Многие конструкционные металлы (стали, в том числе высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и др.) разрушаются при растяжении после значительной пластической деформации с образованием шейки. Часто (например, у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом примерно 45° к направлению растягивающего усилия. При определенных условиях (например, при испытании хладноломких сталей в жидком азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным растягивающей силе (прямой излом), без макропластической деформации.

  Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статическая, динамическая, периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей температуры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности надрезанного и гладкого образцов

(у цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос - в виде центрального отверстия или боковых вырезов). Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной ( рис. 3 ). При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью размером 2 r _y(на рис. 3 , б заштрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкций.

  Широкое распространение получили предложенные американским учёным Дж. Р. Ирвином в качестве констант для условий хрупкого разрушения такие показатели, как критический коэффициент интенсивности напряжений при плоской деформации K _1Cи вязкость разрушения

При этом процесс разрушения рассматривается во времени и показатели K _1C( G _1C) относятся к тому критическому моменту, когда нарушается устойчивое развитие трещины; трещина становится неустойчивой и распространяется самопроизвольно, когда энергия, необходимая для увеличения её длины, меньше энергии упругой деформации, поступающей к вершине трещины из соседних упруго напряжённых зон металла.

  При назначении толщины образца tи размеров трещины 2 l _трисходят из следующего требования

  Коэффициент интенсивности напряжений Кучитывает не только значение нагрузки, но и длину движущейся трещины:

(l учитывает геометрию трещины и образца), выражается в кгс/мм ^3/2или Мн/м ^3/2.По K _1Cили G _1Cможно судить о склонности конструкционных материалов к хрупкому разрушению в условиях эксплуатации.

  Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный о изгиб призматических образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают (в кгсЧ м/см ²или Мдж/м ²) -работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза. Широкое распространение получили испытания на ударный изгиб образцов с искусственно полученной в основании надреза трещиной усталости. Работа разрушения таких образцов а _тунаходится в целом в удовлетворительном соответствии с такой характеристикой разрушения, как K _1C, и ещё лучше с отношением

  Временна'я зависимость прочности.С увеличением времени действия нагрузки сопротивление пластической деформации и сопротивление разрушению понижаются. При комнатной температуре у металлов это становится особенно заметным при воздействии коррозионной (коррозия под напряжением) или др. активной (эффект Ребиндера) среды. При высоких температурах наблюдается явление , т. е. прироста пластической деформации с течением времени при постоянном напряжении ( рис. 4 , а). Сопротивление металлов ползучести оценивают условным пределом ползучести - чаще всего напряжением, при котором пластическая деформация за 100 чдостигает 0,2 %, и обозначают его s _0,2/100. Чем выше температура t, тем сильнее выражено явление ползучести и тем больше снижается во времени сопротивление разрушению металла ( рис. 4 , б) .Последнее свойство характеризуют т. н. пределом длительной прочности, т. е. напряжением, которое при данной температуре вызывает разрушение материала за заданное время (например, s ^t ₁₀₀, s ^t ₁₀₀₀и т. д.). У полимерных материалов температурно-временная зависимость прочности и деформации выражена сильнее, чем у металлов. При нагреве пластмасс наблюдается высокоэластическая обратимая деформация; начиная с некоторой более высокой температуры развивается необратимая деформация, связанная с переходом материала в вязкотекучее состояние. С ползучестью связано и др. важное механическое свойство материалов - склонность к релаксации напряжений, т. е. к постепенному падению напряжения в условиях, когда общая (упругая и пластическая) деформация сохраняет постоянную заданную величину (например, в затянутых болтах). Релаксация напряжений обусловлена увеличением доли пластической составляющей общей деформации и уменьшением её упругой части.

  Если на металл действует нагрузка, периодически меняющаяся по какому-либо закону (например, синусоидальному), то с увеличением числа циклов Nнагрузки его прочность уменьшается ( рис. 4 , в) - металл «устаёт». Для конструкционной стали такое падение прочности наблюдается до N= (2-5) Ч10 ⁶циклов. В соответствии с этим говорят о пределе усталости конструкционной стали, понимая под ним обычно амплитуду напряжения

ниже которой сталь при повторно-переменной нагрузке не разрушается. При |s _min| = |s _max| предел усталости обозначают символом s _-1. Кривые усталости алюминиевых, титановых и магниевых сплавов обычно не имеют горизонтального участка, поэтому сопротивление усталости этих сплавов характеризуют т. н. ограниченными (соответствующими заданному N) пределами усталости. Сопротивление усталости зависит также от частоты приложения нагрузки. Сопротивление материалов в условиях низкой частоты и высоких значений повторной нагрузки (медленная, или малоцикловая, усталость) не связано однозначно с пределами усталости. В отличие от статической нагрузки, при повторно-переменных нагрузках всегда проявляется чувствительность к надрезу, т. е. предел усталости при наличии надреза ниже предела усталости гладкого образца. Для удобства чувствительность к надрезу при усталости выражают отношением

характеризует асимметрию цикла). В процессе уставания можно выделить период, предшествующий образованию очага усталостного разрушения, и следующий за ним, иногда довольно длительный, период развития трещины усталости. Чем медленнее развивается трещина, тем надёжнее работает материал в конструкции. Скорость развития трещины усталости dl/dNсвязывают с коэффициентом интенсивности напряжений степенной функцией:

  Различают сопротивление термической усталости, когда появляющиеся в материале напряжения обусловлены тем, что в силу тех или иных причин, например из-за формы детали или условий её закрепления, возникающие при циклическом изменении температуры тепловые перемещения не могут быть реализованы. Сопротивление термической усталости зависит и от многих других свойств материала - коэффициентов линейного расширения и температуропроводности, модуля упругости, предела упругости и др.

  Лит.:Давиденков Н. Н., Динамические испытания металлов, 2 изд., Л. - М., 1936; Ратнер С. И., Разрушение при повторных нагрузках, М., 1959; Серенсен С. В., Когаев В. П., Шнейдерович Р. М., Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность, 2 изд., М., 1963; Прикладные вопросы вязкости разрушения, пер. с англ., М., 1968; Фридман Я. Б., Механические свойства металлов, 3 изд., М., 1974; Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов, под ред. А. Т. Туманова, т. 2, М., 1974.

  С. И. Кишкина.

Рис. 4. Изменение механических свойств конструкционных материалов в функции времени (или числа циклов).

Рис. 3. Образец со специально созданной в вершине надреза трещиной усталости для определения K _1C. Испытания на внецентренное (а) и осевое (б) растяжение.

Рис. 1. Схемы деформации при разных способах нагружения: а - растяжение, б - сжатие, в - изгиб, г - кручение (пунктиром показана начальная форма образцов).

Рис. 2. Типичная диаграмма деформации при растяжении конструкционных металлов.

Механические связи

Механи'ческие свя'зи,ограничения, налагаемые на положение или движение механической системы. См. .

Механические ткани растений

Механи'ческие тка'ни расте'ний,арматура растений, стереометрическая система тканей, обеспечивающих прочность растений, т. е. их способность противостоять воздействию статических (например, сила тяжести) и динамических (например, порывы ветра) нагрузок. К М. т. р. относятся: , , , во вторичной коре - , а в древесине - . К М. т. р. иногда относят некоторые покровные ткани, толстостенные трахеиды, располагающиеся в поздних годичных слоях хвойных и выполняющие наряду со своей основной функцией также и механическую. Тонкостенные, нежные ткани также играют механическую роль, если находятся в состоянии ; они заполняют пространство между М. т. р. и тем самым увеличивают прочность растения. Выполнение основных функций М. т. р. обеспечивается сильными утолщениями клеточных оболочек, прочной связью клеток друг с другом, большой упругостью оболочек, а также и характером распределения М. т. в растении. По упругости и прочности при растяжении М. т. р. (например, склеренхима) близки к стали, мало уступают по упругости каучуку, а по способности противостоять динамическим нагрузкам без деформаций значительно превосходят сталь. Начало систематическому изучению М. т. р. было положено нем. ботаником С. Шведенером (1874), а в России - В. Ф. Раздорским (с 1912), создавшим теорию осуществления строительно-механических принципов в строении растений. Раздорский рассматривает растение и его органы не как конструкции, статически сопротивляющиеся внешним механическим воздействиям (как полагал Шведенер), а как динамическую систему живого организма, меняющуюся в зависимости от внешних условий. Механические ткани травянистых растений образуют сетку («каркас»), часть их тяжей проходит наклонно; сплетение тканей, перегородки в узлах полых стеблей, кожица и сросшиеся с ней периферические части обеспечивают особую прочность стебля. Во вторичной коре древесных растений арматурная сетка состоит из тяжей и пластинок лубяных механических волокон и склереид. В древесине тяжи либриформа армируют основную массу сосудов и трахеид. На М. т. р. влияют условия среды, например у растений, живущих в воде, они развиты очень слабо. Мощность М. т. р. повышается с увеличением интенсивности освещения, влажности почвы, а также с понижением влажности воздуха.

  Лит.:Раздорский В. Ф., Анатомия растений, М., 1949; его же, Архитектоника растений, М., 1955.

  О. Н. Чистякова.

Механический состав почвы

Механи'ческий соста'в по'чвы,гранулометрический состав почвы, содержание в почве элементарных (неагрегированных) частиц различного размера. Обычно М. с. п. выражают в процентах к весу абсолютно сухой почвы. Подробнее см. .

Механический эквивалент света

Механи'ческий эквивале'нт све'та,отношение , принадлежащего к видимой области спектра, к создаваемому этим излучением . Понятие М. э. с. применяется обычно к . М. э. с. является функцией длины волны света l; функция, обратная М. э. с. - отношение светового потока к потоку излучения, - называется излучения (или спектральной чувствительностью среднего глаза, световым эквивалентом мощности, видностью излучения). Своё наименьшее значение, равное 0,00147 вт/лм,М. э. с. принимает при l = 555 нм(спектральная чувствительность глаза при этой длине волны максимальна).

Механический эквивалент теплоты

Механи'ческий эквивале'нт теплоты',количество работы, эквивалентное единице количества переданной в процессе теплообмена теплоты ( или килокалории). Понятие М. э. т. возникло в связи с тем, что исторически механическую работу и количество теплоты измеряли в разных единицах. С установлением эквивалентности механической работы и теплоты (Ю. Р. , 1842, см. ) были осуществлены тщательные измерения М. э. т. (Дж. в 1843-78, шведский учёный Э. Эдмунд в 1865, американский физик Г. Роуланд в 1879 и др.). Результаты измерений показали, что 1 ккал= 426,9 кгсЧ м.В (СИ) нет необходимости пользоваться понятием М. э. т., в этой системе принята одна единица для измерения как работы, так и количества переданной теплоты - . 1 дж= 0,239 кал= 0,102 кгсЧ м.

Механическое фортепьяно

Механи'ческое фортепья'но,фортепьяно с вмонтированным или приставным устройством для игры без участия пианиста. М. ф. известны под названием «фонола», «вельте-миньон», «пианола» и др. В конструкциях конца 19 - начала 20 вв. клавиши, управляемые при помощи перфорированных бумажных лент (т. н. механические нотные ролики), приводятся в действие от сложной пневматической системы с ножным или электрическим приводом. Перфорация лент является своеобразной нотной записью. Почти на всех инструментах подобного типа можно играть, как на обычном фортепьяно. С распространением граммофона и магнитофона М. ф. вышли из употребления.

Механогидравлическая машина

Механогидравли'ческая маши'на,агрегат для добычи полезных ископаемых и проходки горных выработок с подачей напорной воды в зону разрушения. М. м. впервые предложена в СССР (1948). Различают 4 вида М. м. - с механическим разрушающим органом, органом в виде тонких струй (давлением 5-50 Мн/м ²для разрушения угля и 50-200 Мн/м ²для породы), импульсным (300-1000 Мн/м ²) и комбинированным (механическим и гидравлическим) органом. М. м. состоит из исполнительного органа, ходовой части, системы водоснабжения и гидравлического управления; перемещение отбитого материала из забоя, как правило, осуществляется безнапорным гидротранспортом. Основные преимущества М. м. - отсутствие в призабойном пространстве электрической энергии и полное пылеподавление. Наиболее перспективны М. м. с комбинированным рабочим органом. Работы по созданию и усовершенствованию М. м. ведутся в СССР, ПНР, США, Канаде, Великобритании, Японии, ФРГ.

  М. Н. Маркус.

Механокалорический эффект

Механокалори'ческий эффе'кт,наблюдается в жидком гелии ниже температуры перехода в сверхтекучее состояние (ниже 2,19 К): при вытекании гелия из сосуда через узкий капилляр или щель (~ 1 мкм) остающийся в сосуде гелий нагревается. М. э. был открыт в 1939 английскимиё физиками Д. Г. Доунтом и К. Мендельсоном; эффект получил объяснение на основе квантовой теории . Обратное явление - течение гелия, вызванное подводом теплоты, называется термомеханическим эффектом. Подробнее см. .

Механоламаркизм

Механоламарки'зм,одно из направлений .

Механорецепторы

Механореце'пторы,окончания чувствительных нервных волокон, воспринимающие различные механические раздражения, действующие извне, из внешней среды, или возникающие во внутренние органах. Одни М., называемые тактильными и сосредоточенные в наружных покровах животных и человека, воспринимают прикосновение. Другие М., называемые прессо-, волюмо- или , находятся в стенках кровеносных сосудов, сердца, полых гладкомышечных органов; они реагируют на растяжение вследствие повышения давления крови, скопления газов в желудке или кишечнике и др. Так же реагируют на растяжение при сокращении или расслаблении скелетных мышц т. н. - М., заложенные в мышечно-суставном аппарате. На ускорения, вибрации, наклон тела или головы залпами нервных импульсов отвечают М. - вестибулорецепторы. Специфические особенности раздражения кодируются в М. частотой и ритмом возникающей в них импульсации.

  Лит.см. при ст. .

Механострикция

Механостри'кция(от греч. mechanikуs - механический и лат. strictio - сжатие, натягивание), деформация, возникающая в ферро-, ферри- и антиферромагнитных образцах при наложении механических напряжений, изменяющих магнитное состояние образцов. М. является следствием ; даже в отсутствие внешнего магнитного поля механические напряжения вызывают в образце процессы смещения границ магнитных и вращения векторов их самопроизвольной намагниченности, что приводит к изменению размеров образца. При наличии М. деформация (например, удлинение) образца оказывается непропорциональной напряжению, т. е. наблюдается отклонение от .

  Лит.:Белов К. П., Упругие, тепловые и электрические явления в ферромагнетиках, 2 изд., М., 1957.

Механотерапия

Механотерапи'я(от греч. mechane - машина и ), метод лечения, состоящий в выполнении физических упражнений на аппаратах, специально сконструированных для развития движений в отдельных суставах. Основоположником врачебной М. был шведский врач Г. Цандер (1835-1920). Использование аппаратов различных систем обосновано биомеханикой движений в суставах. При М. движения строго локализованы применительно к тому или иному суставу или группе мышц.