1 Конструкционные материалы в современной технике
Для современной техники характерно применение большого ассортимента различных материалов: металлы, сплавы, высокомолекулярные соединения, композиты, керметы, бетоны, стекла, древесина и т.д.
Столь же многообразны и свойства материалов. Вместе с тем можно указать на ряд общих моментов в поведении материалов под нагрузкой.
Общая схема работы материалов под нагрузкой
Различают три этапа работы материала под нагрузкой: упругая деформация, пластическая деформация, разрушение. Относительный удельный вес отдельных этапов в различных случаях может быть различным. На рисунке 1.1.1 представлены диаграммы деформирования хрупкого материала (а) и пластичного (б).
а) б)
Рисунок 1.1.1 - Типичные диаграммы деформирования хрупкого материала (а) и металла (б)
Различают два типа разрушения: от отрыва (хрупкое разрушение) или от среза, завершающего пластическую деформацию. Иногда для того, чтобы получить разрушение от отрыва, приходится создавать специальные условия: низкие температуры, надрезы, динамические воздействия. При определении одним общим термином двух понятий (возникновение пластической деформации и разрушения) используют термин предельное состояние.
Реальные материалы имеют прочность значительно (порядки) меньшую теоретической. Причина – наличие дефектов структуры. Структурные особенности определяют и наличие начальных напряжений или самоуравновешивающих внутренних напряжений, существующих в ненагруженном теле и играющих заметную роль при деформировании тела. Иногда их называют остаточными, собственными или внутренними. Различают начальные напряжения I, II и III рода в зависимости от объема тела, в котором они уравновешиваются. Напряжения I рода самоуравновешиваются в пределах всего тела, II рода – в пределах отдельных структурных элементов (отдельных зерен металла), III рода – в еще меньших объемах (группа атомов).
Напряжения I рода в случае удаления части тела или разреза влекут за собой изменения формы всего изделия. Эти же напряжения вызывают коробление и растрескивание изделий, например, из древесины при усушке. Влияние напряжений II и III родов на суммарном поле напряжений невелико, деформации изделий в связи с ними не происходит. Но эти напряжения весьма существенно влияют на ряд механических и физических свойств материала, в частности, именно эти напряжения, возникая при пластической деформации, вызывают упрочнение металла. С остаточными напряжениями связан и эффект Баушингера. После того, как материал испытал воздействие осевого усилия одного знака (например, растяжения) в области пластических деформаций, сопротивляемость этого материала пластической деформации при воздействии сил другого знака (сжатия) понижается (см. рисунок 1.1.2). Причина – возникновение остаточных напряжений.
т1
т
т
т1 < т
Рисунок 1.1.2 - Эффект Баушингера
1.2 Влияние различных факторов на механические свойства материалов
1.2.1 Химический состав (легирующие добавки)
В случае сплавов в виде механических смесей свойства их являются линейными функциями, приобретающими при процентном содержании в смеси одной из фаз, равном 0 или 100%, значения характеристики свойства, соответствующие чистым фазам.
В случае сплавов в виде растворов изменение свойств в зависимости от процентного содержания растворимого элемента характеризуется нелинейной функцией. На рисунке 1.2.1 показаны диаграммы растяжения для образцов, изготовленных из сталей с различным процентным содержанием углерода.
Рисунок 1.2.1 - Зависимость вида диаграммы Р-ℓ от содержания углерода в стали