Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физикомеханических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).

В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются

предел текучести - s0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2%) и временное сопротивление (предел прочности) - sв, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или ak, МДж/м2), т.е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К1с, МПа×мм1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность изделий зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как: сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивлением износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний и является достаточно трудоёмкой операцией и требует специального оборудования.

Наиболее простым методом определения механических свойств материала является измерение твёрдости.

Твёрдостью называют сопротивление материала пластической деформации при контактных нагрузках, для которых характерно резкое изменение напряжений в поверхностном слое материала. Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и измерения микротвёрдости.

По методу Бринелля в образец вдавливают стальной шарик и величину твёрдости определяют по отношению приложенной нагрузки (P) к площади отпечатка (S). Обозначается твёрдость как HB.

По методу Роквелла индентором может быть либо стальной шарик (шкала В при нагрузке 1000 Н), либо алмазный конус (шкала С при нагрузке 1500 Н (Ньютон) и А – при нагрузке 600 Н). Числом твёрдости является некоторая условная величина, связанная с глубиной отпечатка при вдавливании индентора. Эта величина определяется непосредственно на шкалах прибора. В зависимости от используемого индентора и шкалы твёрдость обозначается как HRB, HRC и HRA. Шарик используется для определения твёрдости относительно мягких материалов, а алмазный конус - для твёрдых, причём шкала A используется для измерения твёрдости тонколистовых материалов.

Метод Виккерса предлагает в качестве индентора алмазную пирамидку. Твёрдость определяется по величине диагонали отпечатка и обозначается HV. Этот метод чаще используют для определения твёрдости тонких лент и покрытий.

Имеются специальные таблицы, по которым значения твёрдости, измеренные одним методом, могут быть пересчитаны в величины твёрдости для другого метода. Иногда значения твёрдости по Бринеллю используют для приближённой оценки предела прочности: sb @ НВ/3. но этот пересчёт не всегда бывает надёжным.

Для понимания природы характеристик различных эксплуатационных физико-механических свойств, о которых речь шла выше, необходимо рассмотреть кратко протекание процессов пластической деформации.

Деформацией называется изменение формы и размеров изделия под действием приложенной нагрузки. Деформации делятся на упругие и пластические. При упругой деформации после снятия нагрузки материал возвращается к прежней форме и размерам. Эти деформации для металлов составляют сотые доли %. Основная же часть деформации – пластическая, когда при снятии нагрузки металл не возвращается к прежней форме и размерам. Пластические деформации для поликристаллов составляют несколько %, для монокристаллов – 100 - 200 %, в явлении сверхпластичности – 1500 - 2000 %.

Величины пластической деформации зависят от типа кристаллической решётки (для ГЦК решёток более высокие, чем для ОЦК), концентраций примесей и размеров зерна. При уменьшении размеров зерна, величина пластической деформации увеличивается. От этих же структурных характеристик зависят и прочностные свойства материалов (sт и sв). Между прочностными характеристиками материалов и размером зерна существует соотношение, называемое уравнением Холла-Петча: sт=sо + K×d-1/2, где d – размер зерна, а sо и К – константы. Из уравнения видно, что предел текучести материала тем выше, чем меньше размер зерна.

Как же происходит пластическая деформация в материалах? Пластическая деформация происходит путём движения специальных дефектов – дислокаций. Дислокацией называется линия, ограничивающая зону сдвига в кристалле. Движение это идёт не произвольным образом, а по определённым плоскостям кристаллической решётки, называемым плоскостями сдвига и в этих плоскостях сдвиг идёт вдоль определённых кристаллографических направлений, называемых направлениями сдвига. Плоскость сдвига и направление сдвига образуют систему сдвига (или систему скольжения). В металлах с ГЦК решётками имеется 12 систем скольжения типа {111} (это не означает, что при деформации одновременно работают все 12, но, как правило, 2 – 3 системы). В металлах с ОЦК решётками систем скольжения 48, потому что в них имеется 4 направления скольжения типа , вокруг каждого, из которых расположено 12 плоскостей скольжения типа {110}, {112},{123}. Фигурные и угловые скобки используются при указании всех плоскостей и направлений данного типа.

Дислокации могут быть винтовыми и краевыми. Оба типа дислокаций образуются при сдвиге друг относительно друга отдельных участков кристалла и приводят к нарушению идеальности строения кристалла. Направление сдвига и его величину характеризуют специальным вектором, называемым вектором Бюргерса, его величина равна межатомному расстоянию в данном направлении. Для винтовых дислокаций вектор Бюргерса направлен вдоль линии дислокаций, для краевых – перпендикулярно ей.

Дислокации существуют в материалах ещё до приложения нагрузки и начала деформации. Причём, плотность их довольно велика (порядка 105 -106 ед/см2 в отожженных материалах).

При приложении нагрузок, достигающих предела текучести, дислокации начинают двигаться, проходят через кристалл и выходят на поверхность, образуя ступеньку – сдвиг. Высота ступеньки (а, следовательно, и величина локальной деформации) равна сумме векторов Бюргерса от всех дислокаций, прошедших в данной плоскости.

Но, не все дислокации, начав двигаться в кристалле, выходят на поверхность, часть их тормозится внутри кристалла вблизи границ зёрен, либо других неподвижных дислокаций. Вследствие этого в процессе деформации плотность дислокаций внутри кристалла расчёт. А это накопление дислокаций приводит к тому, что для дальнейшей деформации и кристаллу требуется приложить напряжения более высокие, чем соответствующие напряжениям на пределе текучести.

Это явление повышения роста напряжений в процессе деформации получило название деформационного упрочнения.

Плотность дислокаций в кристалле при больших пластических деформациях достигает r = 1012-1013 см-2. Между деформирующим напряжением (si), соответствующим той или иной степени пластической деформации, и, соответствующей ей плотностью дислокаций (r) имеется определённая количественная связь, а именно, деформирующее напряжение пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций - si » r1/2.

Описанные выше процессы движения и размножения дислокаций в кристаллах, имеют многочисленные экспериментальные подтверждения, полученные электронномикроскопическими, металлографическими и рентгеновскими методами.

Если бы дислокаций в реальном кристалле не существовало, то прочность таких кристаллов была бы в тысячу раз большей , чем обычно измеряемая, и была бы близка к теоретически рассчитанной.

Такие «бездислокационные» кристаллы в настоящее время выращивают. Они получили название «вискерсов» («усов»). Размеры их соответствуют по диаметру 1 – 2 мкм, а по длине 3 – 4 мм. Измерена и их прочность, она, действительно близка к теоретически рассчитанной. Так, для железа она равна 14000 МПa (прочность обычного монокристалла железа с дислокациями равна 10 – 20 МПa).

Описанные бездислокационные монокристаллы получили уже и промышленное использование в точном приборостроении, часовой промышленности и других отраслях.