ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Лекция 5 Механические свойства металловЛекция 4
На возрастающее напряжение металл реагирует последовательно
У а б в Рис. 20. Схема упругой деформации кристалла: а – до деформации; б – упругая деформация; в – после деформации
При смещении атомов относительно друг друга на расстояние d, большее или меньшее d 0, энергия связи E св уже не будет минимальной, поэтому силы межатомного взаимодействия вернут атомы на прежние места, при этом силы притяжения и отталкивания снова окажутся уравновешены.
Пластическая деформация не исчезает после снятия нагрузки. При возрастании напряжения атомы смещаются на значительные расстояния и занимают новые положения равновесия. Деформация становится необратимой. После снятия нагрузки устраняется только ее упругая составляющая. Пластическая деформация в кристаллах осуществляется, в основном, скольжением атомных плоскостей относительно друг друга (рис. 21). а б в г Рис. 21. Схема пластической деформации идеального кристалла: а – до деформации; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация; г – после деформации (упругая составляющая исчезла, пластическая осталась)
Зная энергию связи в кристалле, подсчитали теоретическую прочность (исходя из предположения об одновременном разрыве связей). Она оказалась огромной: в 100-1000 раз больше реальной. (Для железа, например, напряжение сдвига составляет 20 МПа, а по теоретическому расчету получается 13300 МПа.) Пришлось принять другую гипотезу: ввести понятие дефекта кристаллического строения (дислокации) и предположить механизм его перемещения. Тогда теоретическая прочность совпала с реальной. Механизм пластической деформации: перемещение одной части кристалла относительно другой происходит за счет движения дислокаций. Изобразим реальный кристалл, содержащий дислокацию (рис. 22). В области дислокации под нагрузкой атомы легко смещаются на расстояния, меньшие, чем межатомное. При этом происходит разрыв всего одной связи, между атомами 4 и 7 (рис. 22, а), зато возникает новая связь между атомами 1 и 7 – и дислокация перемещается на одно межатомное расстояние (рис. 22, б). а б в
Итак, в реальном, содержащем дислокации кристалле атомы смещаются под воздействием нагрузки на расстояния, меньшие межатомного, а дислокации при этом скачком перемещаются на целые межатомные расстояния. Процесс перемещения дислокаций продолжается до выхода на поверхность кристалла (рис. 22, в). Каждая дислокация при этом образует ступеньку шириной в одно межатомное расстояние. Но дислокаций – миллионы, поэтому их движение дает видимую пластическую деформацию всего кристалла (рис. 23). Рис. 23. Деформация монокристалла, видимая невооруженным глазом
И ногда кристаллическая решетка в каждом зерне получает определенную ориентацию относительно действующих напряжений. На рис. 25 это условно показано параллельными осями кристаллов. Такая ориентированная структура называется текстурой. С в ОЦК (Fea) в ГЦК (Feg) в ГПУ (Zn, Be) Рис. 26. Плоскости (заштрихованы) и направления (показаны стрелками) наилегчайшего сдвига в разных типах решеток.
Разрушение – это разделение монолитного металла на части. Разрушение состоит из двух элементарных процессов: 1) зарождение трещины и 2) ее распространение или рост. Механизм зарождения трещины: скопление движущихся дислокаций перед препятствием. Препятствиями для движения дислокаций являются:
Рис. 27. Зарождение трещин
Распространение трещины может идти: 1. 2. Х рупкому разрушению предшествует малая пластическая деформация, вязкому – значительная. Зародыши вязкой и хрупкой трещины тоже отличаются: зародыш хрупкой трещины острый, имеет очень маленький радиус при вершине; зародыш вязкой трещин ы – тупой, с большим радиусом. Расчеты Гриффитса показали, что острая трещина длиной в 1 мкм может в 100 раз снизить предел прочности материала. Рис. 29. Зародыши трещин
Лекция 5 Механические свойства металлов
Под действием различных внешних сил металл деформируется и разрушается. Но величиной приложенной нагрузки нельзя охарактеризовать условия нагружения. Важно знать, на какую площадь поперечного сечения эта нагрузка действует. За характеристику нагружения принимают напряжение – отношение силы к площади сечения, на которую она действует: Напряжение, действующее на любую произвольно взятую площадку, можно разложить на нормальную составляющую σ, перпендикулярную площадке, и касательную t. При одинаковой нагрузке P деформация стержней (рис. 30) будет разной: второй удлинится больше, так как площадь его поперечного сечения меньше. так как Напряжение во втором стержне будет больше, поэтому он получит большую деформацию. Напряжение, которое выдерживает металл, является его основной механической характеристикой, не зависящей от размеров изделия.
Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних и внутренних напряжений. Государственные стандарты предусматривают получение характеристик прочности при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Все это – статические испытания, с постепенным, плавным возрастанием нагрузки. Наиболее информативно испытание на растяжение на разрывной машине; его и проводят в большинстве случаев для получения стандартных характеристик прочности (рис. 32). Разрывная машина снабжена устройством для записи так называемой диаграммы растяжения – графика зависимости между приложенной нагрузкой P и удлинением образца D l (рис. 31). Современные машины имеют выход на компьютер, который не только записывает диаграмму, но и рассчитывает характеристики прочности. П
пластичного металла: для испытаний на растяжение I – область упругой деформации, и схема испытания на разрывной II – область пластической деформации, машине III – область развития трещин
предел упругости [МПа] – это наибольшее напряжение, после которого образец возвращается к прежней форме и размерам; предел текучести [МПа] – это напряжение пластического течения металла без увеличения нагрузки; предел прочности [МПа] – это наибольшее напряжение, которое металл выдерживает, не разрушаясь. Истинный, или физический предел текучести определить трудно: не у всех металлов образуется «площадка текучести». Поэтому чаще всего определяют условный предел текучести , который вызывает остаточную деформацию 0,2 %: » . Прочностные расчеты чаще ведут по пределу текучести, так как значительная пластическая деформация большинства деталей и конструкций недопустима. Но и предел прочности знать необходимо, так как он показывает, при каком напряжении начнется разрушение.
Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения. Характеристики пластичности определяют из того же испытания на растяжение. Это относительное удлинение [%] и относительное сужение [%], где l 0 и l К, мм – длина образца до и после испытания; F 0 и F К, мм2 – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца (рис. 32). Относительное удлинение и относительное сужение являются одновременно и критериями надежности: материал, имеющий бóльшие значения d и y, более надежен.
Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Методы измерения, приборы, обозначение, единицы измерения твердости описаны в методических указаниях к лабораторной работе «Определение твердости металлов и сплавов». Изучить самостоятельно!
Вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению при ударных, динамических нагрузках. Характеристика вязкости определяется при испытании на ударный изгиб. Это, в отличие от всех предыдущих, динамическое испытание, при котором нагрузка прилагается к образцу с очень большой скоростью, за тысячные доли секунды. Испытание проводится на маятниковом копре (рис. 33). Тяжелый маятник, поднятый на определенный угол, отпускают. На пути движения маятника находится образец. Удар ножа маятника разрушает его. Произведенная при разрушении работа определяется как разность между потенциальной энергией маятника до и после испытания. Ударная вязкость – это работа разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения: [Дж/м2], где ^ A Р – работа разрушения, F – площадь поперечного сечения образца. Образец должен иметь надрез – концентратор напряжения. Обозначение ударной вязкости зависит от вида надреза (рис. 34). Д ля одного и того же материала KCU > KCV > KCT, т. е. чем острее надрез, тем легче разрушается материал. Ударная вязкость тоже является критерием надежности материала, гарантией, что он не будет разрушаться хрупко, внезапно. С трого говоря, ударная вязкость является комплексной характеристикой, включающей удельную работу зарождения трещины a з и удельную работу распространения трещины a р. Для более достоверной оценки надежности материала методом экстраполяции определяют ударную вязкость при радиусе концентратора r, стремящемся к нулю. Это и будет работа распространения трещины a р, позволяющая оценить надежность (зародыши трещин в материале есть почти всегда, вопрос в том, будут ли они расти).
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|