Виды деформации.

Упругая деформация — обратимая деформация, т.е. полностью исчезает после снятия нагрузки.

Механизм упругой деформации заключается в смещении атомов на небольшие расстояния около своего равновесного положения в кристаллической решетке и последующего возвращения в исходное состояние под действием сил межатомного взаимодействия (сил притяжения в случае растяжения и сил отталкивания в случае сжатия).

Пластическая деформация — необратимая (остаточная) деформация. Накапливается в материале по мере приложения нагрузки, сопровождается видимыми изменениями размеров образца.

Механизм пластической деформации заключается в движении и размножении дислокаций. Механизмы движения дислокаций совпадают с механизмами самой пластической деформации.

Рассмотрим механические свойства и их количественные характеристики, определяемые из диаграммы растяжения.

Жесткость

При малых напряжениях приложение нагрузки вызывает только упругую обратимую деформацию. В этой области нагружения деформация ε, строго пропорциональна напряжению σ и между ними имеется линейная зависимость:

σ = Е∙ε,

где Е - модуль упругости (модуль Юнга), размерность МПа.

Модуль упругости является количественной характеристикой жесткости материала и определяется, как тангенс угла наклона α на прямолинейном отрезке диаграммы растяжения OA (рис.2.4).

Рис.2.4. Диаграмма растяжения для определения

количественных характеристик механических свойств

Упругость

Упругость – способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией, однако деформация практически является упругой. В материале фиксируются лишь ничтожные доли остаточной деформации, которая называется микропластическая деформация.

Количественной характеристикой упругости является условный предел упругости - напряжение, при котором остаточная микродеформация равна определенной заданной величине в пределах от 0,001 до 0,05%.

Условный предел упругости обозначается σ_0,05, размерность - МПа.

Прочность

Прочность является одной из наиболее важных механических свойств металлов и сплавов при оценке их работоспособности.

Прочность – способность материалов сопротивляться воздействию внешних нагрузок.

Количественными характеристиками прочности материала являются предел текучести и предел прочности.

В зависимости от вида получаемой диаграммы растяжения для различных материалов определяют либо условный предел текучести, либо физический предел текучести.

Условный предел текучести – напряжение, соответствующее условно заданной величине деформации, равной 0,2% .

Обозначение условного предела текучести - σ_0,2, размерность - МПа.

Условный предел текучести определяется на диаграммах «без площадки текучести» (рис.2.4, а).

а)

б)

Рис. 2.4. Диаграммы растяжения без (а ) и с (б )

«площадки тякучести»

Тогда условный предел текучести вычисляется по формуле:

σ_0,2 = Р_0,2 / F₀,

где Р_0,2 - определяется по неприведенной диаграмме растяжения (рис.2.4, а);

F₀ - площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний.

Физический предел текучести - напряжение, соответствующее «площадке текучести» на диаграмме.

Обозначение физического предела текучести - σ_Т, размерность - МПа. Физический предел текучести определяется на приведенной диаграмме растяжения (рис.2.4, б).

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) - максимальное напряжение, которое выдерживает образец непосредственно перед разрушением.

Предел прочности обозначается - σ_в, размерность - МПа.

Предел прочности вычисляется по формуле:

σ_в = Р_max / F₀,

где Р_max - максимальная нагрузка, определяется по неприведенной диаграмме растяжения (рис.2.4, б);

F₀ - площадь поперечного сечения рабочей части образца до испытаний.

Пластичность

Пластичность - способность материалов деформироваться под воздействием внешних нагрузок.

Количественные характеристики пластичности - относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение определяется при испытаниях на растяжение, относительное сужение - при испытаниях на сжатие.

Обозначение: относительное удлинение - δ, размерность - %,

относительное сужение - ψ, размерность - %.

Относительное удлинение вычисляется по формуле:

δ = (∆l / l₀) ∙ 100%,

где ∆l - абсолютное удлинение, ∆l = l_к – l₀,

l_к - длина рабочей части образца после разрыва, мм.

Относительное сужение вычисляется по формуле:

ψ = [(F₀ - F_к)] / F₀ ∙ 100%,

где F₀, F_к - начальная и конечная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм².

Таким образом, стандартными характеристиками механических свойств, определяемые методом статических испытаний, являются : жесткости Е; упругости σ_0,05, ; прочности σ_в, σ_{0,2 ,} σ_Т ; пластичности δ, ψ.

При увеличении нагрузки (напряжения) выше значений предела прочности материала он разрушается.

Различают два основных вида разрушений: вязкое и хрупкое.

Вязкое разрушение.

-- Вязкое разрушение всегда сопровождается большими величинам пластической деформации

-- Вязкая трещина, «тупая», распространяется в основном по телу зерна.

-- Вязкая трещина распространяется очень медленно.

--Вязкое разрушение можно остановить, снизив внешнее напряжение ниже предела текучести.

Хрупкое разрушение.

-- Хрупкое разрушение не требует пластической деформации и сопровождается только микропластической деформацией.

-- Хрупкая трещина носит интеркристаллитный характер (ветвистый, разветвленный, распространяется как по телу зерна, так и по границе). Она является острой.

-- Хрупкая трещина распространяется очень быстро.

-- Хрупкое разрушение остановить нельзя. Это процесс самопроизвольного развития трещины, вот почему хрупкое разрушение наиболее опасное

При вероятности возникновения хрупкого разрушения, нужно увеличивать такое свойство, как вязкость, иногда даже снижая прочностные характеристики.

В связи с этим рассмотрим еще одно механическое свойство металлов и сплавов – вязкость, которое определяется при испытаниях на удар.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ

ДИНАМИЧЕСКМИ ИСПЫТАНИЯМИ (НА УДАР)

Основным динамическим испытанием является метод испытания на удар. Метод основан на разрушении образца с надрезом (рис.2.5, а) одним ударом маятникового копра (рис.2.5, б).

Образец устанавливают на опорах копра и наносят удар по стороне образца, противоположной надрезу.

а) б)

Рис.2.5. Схема испытаний на ударную вязкость

При испытаниях на удар определяют свойство вязкости.

Вязкость – способность материалов сопротивляться хрупкому разрушению при низких температурах.

Количественной характеристикой вязкости является ударная вязкость.

За величину ударной вязкости принимается отношение величины работы, затраченной на разрушение образца, к площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Ударная вязкость обозначается КСU, размерность [Дж/см²].

KCU = A/S

где А — работа, затраченная на разрушение образца,

S — площадь поперечного сечения в месте надреза,

В зависимости от вида надреза образца ударная вязкость может обозначаться:

KCU – в случае U- образного надреза;

KCV -- в случае V- образного надреза;

КСТ -- в случае надреза в виде трещины.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Эти свойства определяют в зависимости от условий работы того или

иного агрегата, детали, изделия. Помимо основных характеристик механических свойств, в каждом конкретном случае дополнительно оценивают количественные характеристики свойств эксплуатационных.

К эксплуатационным свойствам относятся хладноломкость, жаростойкость, жаропрочность, усталость, износостойкость.

Хладноломкость.

Хладноломкость – склонность металлов и сплавов к хрупкому разрушению при низких температурах.

Для оценки хладноломкости обычно проводят испытания серии образцов при различных температурах и определяют изменение значений ударной

вязкости. С понижением температуры по мере перехода материала в хрупкое состояние ударная вязкость понижается.

Оценку хладноломкости проводят по виду излома образцов после ударных испытаний. Определяется соотношение площадей вязких и хрупких участков в изломе образцов. Обычно за порог хладноломкости принимают температуру, при которой доля волокнистой составляющей структуры равна 50%.

Таким образом, количественной характеристикой хладноломкости является порог хладноломкости – температура, соответствующая доли вязкого разрушения, равной 50%.

Порог хладноломкости обозначается Т₅₀.

При температурах эксплуатации ниже порога хладноломкости металл применять не следует.

Жаропрочность.

Жаропрочность - способность материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при высоких температурах.

Основными критериями для оценки жаропрочных свойств являются: высокотемпературная прочность, предел длительной прочности. Учитывая, что при высоких температурах прочностные характеристики металлов и сплавов значительно снижаются, дополнительно для жаропрочных материалов вводятся следующие количественные характеристики:

-- Высокотемпературная (горячая) прочность – максимальное напряжение, которое выдерживает образец при рабочей температуре.

Обозначается σ^t_в. Измеряется в МПа.

-- Предел длительной прочности – напряжение, которое приводит к разрушению образца при рабочей температуре за время, соответствующее условиям эксплуатации.

Обозначается σ^t_τ. Измеряется в МПа.

Жаростойкость.

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав материала, определяющий защитные свойства поверхностной оксидной пленки.

Усталость.

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений в металле под воздействием знакопеременных и циклических нагрузок, приводящих к образованию и развитию усталостных трещин.

Максимальным σ_max или минимальным σ_min напряжением цикла является наибольшее или наименьшее по величине напряжение (по модулю). Характеристикой цикла служит коэффициент ассиметрии:

R = σ_min / σ_max

В случае

σ_min = σ_max, R = - 1

В этом случае цикл является симметричным. После испытаний образцов строят кривую усталости – график зависимости максимального напряжения от числа циклов нагружения до разрушения. По кривым усталости определяют предел усталости (выносливости).

Предел усталости (выносливости) – наибольшее напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения.

Обозначается σ _-1 . Измеряется в МПа.

Износостойкость.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление износу, постепенному изменению размеров и формы деталей, работающих в условиях трения.

Вопросы для самопроверки по разделу 2

«Свойства металлов и сплавов»:

1. На какие группы подразделяются все свойства металлов и сплавов?

2. Какие свойства металлов и сплавов относятся к механическим?

3. Какие свойства металлов и сплавов относятся к эксплуатационным?

4. Твердость. Методы определения твердости.

5. Определение прочности. Каким методом определяется прочность металлов и сплавов?

6. Количественные характеристики прочности. Обозначение, определение, размерность.

7. Определение пластичности. Каким методом определяется пластичность? Количественные характеристики пластичности.

8. Вязкость. Методы определения вязкости. Количественные характеристики вязкости.

9. Жаропрочность. Количественные характеристики жаропрочности.

10. Хладноломкость. Количественные характеристики хладноломкости.

11. Какие свойства определяются методом статических испытаний?

12. Какие свойства определяются методом динамических испытаний?

13. Виды разрушения и их характеристика.

ТЕОРИЯ СПЛАВОВ

Сплавами называют сложные вещества, полученные сплавлением нескольких элементов.

Элементы, образующие сплав, называются компонентами.

В твердом состоянии компоненты могут образовывать три типа сплава (типа взаимодействия между собой):

1. Механические смеси.

2. Химические соединения.

3. Твердые растворы.

При рассмотрении типов взаимодействия компонентов в сплаве обозначим один компонент как А и второй компонент как В.

Твердые растворы.

При образовании твердого раствора один компонент является растворителем, другой компонент – растворимый. Растворитель – тот компонент, кристаллическая решетка которого сохраняется.

Растворимый компонент – его атомы располагаются в кристаллической решетке растворителя.

В зависимости от расположения атомов в кристаллической решетке различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения.

В твердом растворе замещения атомы компонента - растворителя замещаются атомами растворимого компонента (рис.1, а).

В твердом растворе внедрения атомы растворимого компонента размещаются между атомами компонента – растворителя (рис.1, б).

а	б

Рис.1. Кристаллическая решетка твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

Обозначение твердых растворов: А (В), где А – растворитель, В – растворимый компонент или буквами греческого алфавита: α, β, γ.

В зависимости от концентрации компонентов в сплаве различают ограниченные и неограниченные твердые растворы.

Неограниченные твердые растворы образуются во всем интервале концентрации компонентов в сплаве.

Ограниченные твердые растворы образуются только в определенном интервале концентрации компонентов.

Твердые растворы в структуре имеют одинаковые однородные зерна, т.е. имеют одну фазу – фазу твердого раствора. Кристаллизация твердых растворов происходит в интервале температур.

Сплавы, представляющие твердые растворы, отличаются хорошей пластичностью и технологичностью. Такие сплавы хорошо обрабатываются.