Тема 6. Пластическая деформация и механические свойства

План лекции

1. Понятие о механических свойствах

2. Виды напряжений

3. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

4. Твердость металлов

1. Понятие о механических свойствах

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам металла обычно относят прочность, под которой понимается способность метала (сплава) сопротивление деформации и разрушению, и пластичность, т. е. способность металла к остаточной деформации (остающейся после снятия нагрузки) без разрушения.

2. Виды напряжений

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под дей­ствием приложенных сил. Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-механическими процессами, возникающими в самом теле.

Возникающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют вид σ = P/F.

Сила Р, приложенная к некоторой площадке F, обычно не перпендику­лярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возни­кают нормальные и касательные напряжения. Нормальные на­пряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Упругая деформация – деформация, влия­ние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызы­вает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное относительное и полностью обратимое смещение атомов или поворот блоков кристалла. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии – сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электроста­тического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в ис­ходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первона­чальную форму и размеры.

Пластическая деформация. При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (предел упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляю­щая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается.

3. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях

Статическими называю испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относят ис­пытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и определение твердости. Различные напряженные состояния, возникающие при том или другом методе статических испытаний, принято оценивать коэффициентом жестко­сти

где τ_тах – наибольшее касательное напряжение; S_max – наибольшее приве­денное нормальное (растягивающее) напряжение.

Чем больше S_max по сравнению с τ_тах, тем меньше значение α и тем более жесткое испытание.

Следует иметь в виду, что жесткость испытаний определяется не только коэффициентом α, но и свойствами того материала, который ис­пытывают.

В данном курсе рассматривается только испытание на растяжение – наиболее рас­пространенное для конструкционных сталей, цветных металлов и их спла­вов. За одно испытание устанавливается ряд важных качественных и расчетных механических характеристик образца.

В результате эксперимента получаем диаграмму растяжения (рисунок 19,а): кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под дей­ствием напряжений, величина которых является условной (σ), ее вычис­ляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца F₀ (σ = P/F₀, кгс/мм²). Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент. При испытании на растяжение обычно пользуются диа­граммой условных напряжений. Как видно из рис. 1, до точки А деформа­ция пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой О А к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала Е =σ/δ (δ - относи­тельная деформация). Модуль упругости Е определяет жесткость материа­ла, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации.

Рисунок 19. Диаграммы:

а – растяжения металлов для условных (—) и истинных (- - -) напряжений; I – область упругой деформаций; II – область пластической деформации; III— область раз­вития трещин; б — истинных напряжений

Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характе­ризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещению атомов из положения равновесия в решетке.

Модуль упругости весьма незначительно зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механиче­ские свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зави­симости от структуры (обработки) в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорцио­нальности (σ_п.ц.).

Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практиче­ски вызывают только упругие деформации, поэтому нередко его отождест­вляют с условным пределом упругости ( ). Это не вполне точно, но приемлемо для многих случаев практики. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% (или еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%, на­зывают условным пределом текучести ( ).

Предел текучести чаще всего выбирают в качестве одного из показате­лей прочности. Величины σ_п.ц и характеризуют сопротивление малым и умеренным деформациям. Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разруше­нию образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочно­сти .

У пластичных металлов, начиная с напряжения, отвечающего величине , деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате множественного скольжения и пересечения дислокации в шейке образуется высокая плотность вакансий, укрупнение которых приводит к возникнове­нию пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент обра­зец разрушается (точка С на рисунке 19, а).

При испытании на растяжение определяют, кроме того, характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение и относительное сужение

, где l₀, l_к – длина образца до и после разрушения; F₀ и F_K – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.