Надежность и долговечность металлических конструкций во многом зависят от свойств материала. Наиболее важными для работы конструкций являются механические свойства: прочность, упругость, пластичность, склонность к хрупкому разрушению, ползучесть, твердость, а также свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность – способность конструкции в определенных пределах воспринимать воздействие внешних сил без разрушения.

Прочность материала при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов (прямоугольного или круглого сечения) с записью диаграммы зависимости между напряжением и относительным удлинением. Дать ссылку на диаграмму растяжения.

В общем случае обоснование прочности материалов конструкций проводится сравнением напряжений, возникающих в конструкции от внешних воздействий, с значениями предела текучести и предела прочности с учетом коэффициентов запаса прочности. (см. определение предела текучести, предела прочности, допускаемых напряжений).

Если материал подвергается действию циклически меняющихся напряжений, то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти при напряжениях меньше предела прочности (временного сопротивления) и даже предела текучести. Это явление называется усталостью металла. Обоснование прочности конструкции с учетом циклически меняющихся нагрузок проводится расчетом на циклическую прочность.

Упругость - свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок.

Упругие свойства материала определяются модулем упругости Е = tga, где а – угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.

Пластичность – свойство материала сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения.

Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется «шейка», поперечное сечение образца уменьшается, и в зоне шейки развиваются большие местные пластические деформации.

Относительное удлинение при разрыве складывается из равномерного удлинения на всей длине образца и локального удлинения в зоне шейки. Мерой пластичности может также служить относительное сужение при разрыве.

Хрупкость – способность разрушаться при малых деформациях.

Склонность материала к хрупкому разрушению оценивается по результатам испытаний на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах. Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения. Один и тот же металл может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значительных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов. Для ужесточения условий испытаний и повышения концентрации напряжений в образцах делаю надрез (U- или V-образный) или трещину. В местах надреза напряжения резко повышаются (возникает концентрация напряжений), что способствует переходу металла в хрупкое состояние. Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (ударным) воздействиям, чувствительность к концентрации напряжений и служит для сравнительной оценки качестве материала.

Обоснование прочности конструкции с учетом склонности материала к хрупкому разрушению проводится расчетом на сопротивлению хрупкому разрушению.

Расчет на сопротивление хрупкому разрушению является одним из этапов поверочного расчета. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению проводят на основе сопоставления коэффициента интенсивности напряжений с критическим значением в целях исключения возможности хрупкого разрушения.

Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.

Обычно чем тверже материал, тем выше его статическая прочность. Так как испытание на твердость проводится без разрушения детали, широко применяют приближенную оценку прочности материала и правильности термообработки по величине твердости.

Твердость по Бринеллю (HB) определяют вдавливанием в испытуемый материал шарика из закаленной стали диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс. Число HB равно отношению силы, вдавливающей шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Твердость по Роквеллу (HRC) определяют вдавливанием алмазного конуса в закаленную сталь. Число твердости HRC соответствует разности глубин проникновения конуса под действием основной нагрузки (150 кгс) и предварительной (10 кгс).

Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки.

Ползучесть в металлах проявляется в основном при высоких температурах. Оценка степени ползучести производится по результатам длительных испытаний образцов на растяжение. Для углеродистых, легированных, кремнемарганцовистых и высокохромистых сталей оценка прочности с учетом длительных механических характеристик проводится, если температура эксплуатации изделия превышает 350 ºС, для коррозионно-стойких сталей аустенитного класса, жаропрочных хромомолибденванадиевых сталей и железоникелевых сплавов при температурах более 450 ºС. Классификация сталей приведена здесь.