5.3 Нагрузки, напряжения и деформации

На детали работающих машин воздействуют внешние силы или нагрузки F. Чтобы оценить размер нагрузки вне зависимости от размеров детали, введено понятие напряжение. При одноосном растяжении оно имеет вид o=F/S, где S — площадь поперечного сечения испытуемого образца. Так как прилагаемая сила F, как правило, не перпендикулярна некоторой площадке детали, то в ней возникают нормальные и касательные напряжения.

Деформацией называется изменение размеров или формы тела под действием внешних сил, либо физико-механических процессов, протекающих в самом теле (перепад температур, фазовые превращения и т.д.).

Любое воздействие внешних сил на твердое тело уравновешивается противодействием межатомных сил, которые стремятся вернуть атомы в положения, соответствующие минимуму потенциальной энергии.

Деформация тела совершается в результате относительного смещения атомов из положений равновесия. При упругой деформации сохраняется пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смеще- ниями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и формул. Если при прекращении действия внешних сил твердое тело не полностью восстанавливается, то такая деформация называется пластической (остаточной). В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новые положения устойчивого равновесия. При пластическом нагружении линейная связь между напряжениями и деформациями обычно отсутствует. Способность металлов к остаточной деформации называется пластичностью, ми и деформациями обычно отсутствует. Способность металлов к остаточной деформации называется пластичностью.

Пластическая деформация твердых тел в основном характеризуется скольжением и двойникованием. Скольжение или смещение отдельных частей кристалла относительно друг друга (рисунке 5.1, а) совершается под действием касательных напряжений (т).

Оно осуществляется в плоскостях и направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Металлы, имеющие большое количество таких плоскостей и направлений (с кубической кристаллической решеткой, например), являются наиболее пластичными. Кристаллическая решетка ГПУ обладает низкими пластическими свойствами.

При двойниковании (рис. 5.7.6) происходят смещения атомов, располагающихся в плоскостях, параллельных плоскости двойникования. Двойникование сопровождает скольжение, а плоскости двойникования совпадают с плоскостями скольжения.

Расчетные и экспериментальные значения по касательным напряжениям, отвечающим началу пластической деформации твердого тела, значительно расходятся. При этом исходят из предпосылки, что процесс скольжения осуществляется одновременным смещением всех атомов одной кристаллографической плоскости относительно атомов смежной, параллельной плоскости.

5.4 Механические свойства

К механическим свойствам металлов и сплавов относятся твердость; свойства, определяемые при статическом растяжении; ударная вязкость; предел выносливости.

Широко применяется неразрушающий контроль прочности металлов и сплавов через твердость. Твердость –это способность материала сопротивляться проникновению в него постороннего тела. Существуют различные методы определения твердости.

По методу Бринелля (рис.5.8.а) под действием силы F в испытуемое тело внедряется шарик диаметром D. Число твердости НВ представляет отношение силы F к площади отпечатка диаметром d. По методу Роквелла (рисунок 5.8.б.) в испытуемую поверхность вдавливают индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик малого диаметра. Число твердости HR обратно пропорционально глубине внедрения индентора.

В зависимости от шкалы прибора введены следующие обозначения чисел твердости: HRA, HRB и HRC. При нагрузках на алмазный конус по шкале С и шкале А проводят измерения просто твердых или очень твердых и тонких материалов. Шкала В предназначена для испытания мягких материалов.

Метод Виккерса (рис.5.8.в) позволяет измерять твердость как мягких, так и очень твердых материалов и сплавов.

Твердость HV определяется по диагонали отпечатка d от вдавливаемой алмазной пирамиды.

По результатам статических испытаний на растяжение, проводимых на специальных машинах с малыми скоростями перемещений рабочих органов, находят механические свойства материалов. Прежде всего этопрочностные характеристики.

Напряжение соответствующее возникновению площадки текучести на записанной в процессе испытаний диаграмме в координатах напряжение – деформация (рисунок 7.а) называется физическим пределом текучести.

Рисунок 7. Свойства металлов при статическом растяжении

При отсутствии площадки определяют условный предел текучести сто,2, которым является напряжение, приводящее к остаточной деформации 0,2% от длины образца.

Более высокие напряжения вызывают рост пластической деформации. Напряжение, предшествующее разрушению образца, называется временным сопротивлением или пределом прочности а _в (F_G/S_o).

Пластические характеристики материалов находят, измеряя образцы до и после испытаний. Таким образом определяется предшествующая разрушению пластическая деформация, выражаемая относительным удлинением 5 = 100% или относительным сужением у/= — — • 100%. Здесь L_o L_k - площади поперечных сечений образцов до и после разрушения.

Помимо статических проводят динамические испытания на ударный изгиб. Специальные образцы с надрезом (концентратором) разрушают на маятниковом копре за один удар. Ударная вязкость а_н представляет собой работу (необходимую для разрушения), отнесенную к рабочей площади поперечного сечения образца.

Детали машин могут подвергаться воздействию повторно-переменных (циклических) напряжений. В пределах цикла напряжения могут принимать наибольшее и наименьшее значения. Циклы характеризуются коэффициентом асимметрии Ro = а_тт /<т_пмч, если а _тт =сг_тах, то цикл симметричный и Rcr= - 1.

Постепенное накопление повреждении в металле, возникающее при действии циклических нагрузок, приводит к образованию трещин и разрушению. Это явление называется усталостью. Свойство же металлов противостоять усталости называется выносливостью.