66900

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лекция

Производство и промышленные технологии

К механическим свойствам относят прочность сопротивление металла сплава деформации и разрушению и пластичность способность металла к необратимой без разрушения деформации остающейся после удаления деформирующих сил. Кроме того напряжения возникают в процессе кристаллизации при неравномерной...

Русский

2014-09-01

51.5 KB

27 чел.

Тема № 3

ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Под механическими свойствами металла (или другого материала) понимают характеристики,   определяющие его поведение под действием приложенных к нему внешних механических сил в виде статической,  динамической или знакопеременной нагрузок.

К механическим свойствам относят прочность - сопротивление металла (сплава) деформации и разрушению и пластичность - способность металла к необратимой без разрушения деформации (остающейся после удаления деформирующих сил).

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформация вызывается внешними силами,   приложенными к телу,  или происходящими в самом теле физико-механическими процессами (например,  изменение объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях или вследствие температурного градиента).

Виды напряжений

В случае одноосного растяжения возникающие в теле напряжения равны. Сила Р, (рис. 7) приложенная к некоторой площадке F, обычно направлена к ней под некоторым углом. Поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций (в том числе и микродеформаций) по объему тела.

Наличие в испытуемом образце механических надрезов,  трещин внутренних дефектов металла приводит к неравномерному распределению напряжений,  создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (нормальные напряжения бывают растягивающими и сжимающими) (см. рис. 7). Действие надрезов,  сделанных в образце,   аналогично конфигурации изделий,  имеющих сквозные отверстия,  резьбу и т.п.,  или влиянию внутренних дефектов металла (неметаллических включений,  графитных выделений в чугуне,  трещин и др.),   нарушающих его цельность. Поэтому всевозможные надрезы,  отверстия,  галтели и другие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений.

Напряжения вызываются различными причинами. Различают временные,  обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия,  и внутренние остаточные напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.

Внутренние напряжения наиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми.

Кроме того,  напряжения возникают в процессе кристаллизации,  при неравномерной деформации,  при термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т.д.,  эти напряжения называют фазовыми или структурными.

Внутренние напряжения классифицируют на:

Напряжения 1 рода (или зональные), называемые также макронапряжениями,  они уравновешиваются в объеме всего тела,   возникают главным образом в результате технологических процессов,  которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.

Напряжения 2 рода уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков (субзерен),  их называют иначе микронапряжениями. Чаще всего они возникают в процессе фазовых превращений и деформации металла,  когда разные кристаллиты и блоки внутри них оказываются в различном упругонапряженном состоянии.

Напряжения 3 рода,  локализующиеся в объемах кристаллической ячейки,  представляют собой статические искажения решетки,  т. е. смещения атомов на доли ангстрема из узлов кристаллической решетки.

Упругая и пластическая деформация

Упругой называют деформацию,   влияние которой на форму,  структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное,  полностью обратимое смещение атомов,  или поворот блоков кристалла. После снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние,  и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры.

При достижении касательными напряжениями предела или порога упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации,  которую называют пластической,  остается.

Пластическая деформация в кристаллах может осуществляется скольжением и двойникованием. Скольжение - смещение отдельных частей кристалла - одной части относительно другой происходит под действием касательных напряжений,  когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины.

Схема упругой и пластической деформаций металла с кубической структурой, подвергнутого действию напряжений сдвига,   показана на рис.9..

Скольжение в кристаллической решетки протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов,  где сопротивление сдвигу (τ ) наименьшее. Это объясняется тем,  что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее,   т.е. связь между ними наименьшая.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения,  тем выше его способность к пластической деформации.

Пластическая деформация металлов с плотноупакованными решетками К12 и Г12,  кроме скольжения,  может осуществляться двойникованием,  которое сводится к переориентировке части кристалла в положение,   симметричное по отношению к первой части относительно плоскости,  называемой плоскостью двойникования (рис. 8). Двойникование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дислокации сквозь кристалл.

Изменение структуры металлов при пластической деформации

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна

При больших степенях деформации вследствие скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. Так,  до деформации зерно имело округлую форму. После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р,  образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними.

При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующихся сил получила название текстура деформации.

Наклеп. С увеличением степени холодной деформации свойства,  характеризующие сопротивление деформации (σв, σ0, 1 твердость и др.),  повышаются,  а способность к пластической деформации - пластичность(δ и ψ ) уменьшается. Упрочнение металла в процессе пластической деформации получило название наклепа.

Сверхпластичность. Виды, определение, способы получения.

Разрушение металлов

При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий - зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (изделия). Возникновение микротрещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокации перед препятствием (границы субзерен,  зерен,  межфазные границы,  всевозможные включения и т. д.),   что приводит к концентрации напряжений,   достаточных для образования микротрещины.

Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение происходит со значительной пластической деформацией; при хрупком разрушении пластическая деформация мала.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным" или "катастрофическим" разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины. При хрупком разрушении работа распространения трещины близка к нулю.

По виду микроструктуры различают разрушение транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна,  а при интеркристаллитном она проходит по границам зерен.

Пути повышения прочности,  и пластичности,  металла

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин. Реально достигнутая прочность металла (техническая прочность) значительно ниже теоретической.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению,   которое должны бы иметь материалы согласно физическим расчетам сил сцепления в твердых телах. Низкая прочность (сопротивление деформации) металла объясняется легкой подвижностью дислокации. Следовательно,  для повышения прочности или необходимо устранить дислокации или повысить сопротивление их движению. Сопротивление их движению дислокации возрастает при взаимодействии их друг с другом и с различного рода другими дефектами кристаллической решетки,  создаваемыми при обработке металла.

Дефекты решетки оказывают на сопротивление металла деформации двоякое влияние. С одной стороны,  образование в металле дислокации ослабляет металл. С другой стороны,  дефекты кристаллического строения упрочняют его,  так как препятствуют свободному перемещению дислокации.

Минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокации А,   приближенно оцениваемой – 106-108 см-2. Эта величина относится к отожженным металлам. Если количество дефектов (плотность дислокации) не превышает величины А,   то уменьшение их содержания резко увеличивает сопротивление деформации. Прочность в этом случае быстро приближается к теоретической.

В настоящее время удалось получить кристаллы размером 2-10 мм и толщиной от 0, 5 до 2, 0 мкм,  практически лишенные дефектов кристаллической решетки (дислокации). Эти нитевидные кристаллы,  названные английскими учеными "усами" (whisker),  обладают прочностью,  близкой к теоретической. Отсутствие дефектов в усах объясняется условиями их роста и малыми размерами. Увеличение размера усов сопровождается резким снижением прочности. При толщине более 0, 25 мкм усы железа по

прочности не отличаются от технического железа.

Механические свойства при статических испытаниях

К статическим относятся испытания на растяжение,  сжатие,  кручение и изгиб.

Рис. 8. Диаграмма растяжения металлов

Кривая 1 (рис. 8) характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений,   величина которых является условной,  ее вычисляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную площадь поперечного сечения образца (F0).

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.

Напряжение,  соответствующее точке А,  называют пределом пропорциональностип.ц). Обычно определяют условный предел пропорциональности,  т.е. напряжение,   при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины,  что тангенс угла наклона,  образованного касательной к кривой деформации с осью напряжений,  увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

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 текучести0, 2).

Кроме того,  при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение: δ =(lk-l0)*100%/l0 ; ψ =(F0-Fk)*100%/F0,  где l0 и lk - длина образца до и после разрушения;

F0 и Fk - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

Определение показателей прочности металла σв, σт.

Вязкость разрушения (трещиностойкость) К.

Определение твердости HB, HR, HV и микротвердости металлов. Методы, обозначения.

Механические свойства, определяемые при динамических испытаниях: KCV, RCU, KCT.

Порог хладноломкости t50.

Механические свойства при циклических испытаниях: σR, σ-1.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5092. Руководство к решению задач по сопротивлению материалов 2.03 MB
  Пособие ориентировано на студентов, изучающих сопротивление материалов. Весьма ограниченное время, отводимое на аудиторные занятия заочников в период установочных сессий, не позволяет в достаточной мере охватить вопросы, отражающие содержан...
5093. Исследование собственных и дополнительных затуханий в оптических кабелях связи 707 KB
  Цель работы является проведение компьютерного эксперимента по исследованию собственных и дополнительных затуханий в оптических кабелях связи: - собственных затуханий- затуханий в местах соединений оптических волокон- затуханий на микро...
5094. Основы технологии производства и ремонта автомобилей 1.02 MB
  Исходные данные Автомобиль – КамАЗ 5320 Дизель – КамАЗ 740 Количество автомобилей (N) – 400 ед. (крупное АТП) [2] Среднесуточный пробег автомобиля (lcc) – 200 км Число рабочих дней в году (D) – 305 (грузовые автомоби...
5095. Теория автоматического управления. Курс лекций 1.58 MB
  Технологическая система – это совокупность оборудования, приспособлений, инструментов, заготовок, и процессов проходящих в ходе технологического воздействия. (В старой литературе СПИД – станок, приспособление, инструмент, деталь)...
5096. Расчет строительных конструкций в процессе реконструкции здания. Усиление здания 681.5 KB
  Проектирование и расчет усиления кирпичного простенка Установление необходимости усиления кирпичного простенка Для установления необходимости усиления кирпичного простенка собираем нагрузки на кирпичный простенок на уровне окна первого э...
5097. Технологическое обеспечение качества машин 158.5 KB
  Технологическое обеспечение качества машин. Под качеством машины понимается совокупность её свойств. позволяющих выполнять заданные функции с минимальными трудовыми,материальными и энергетическими затратами...
5098. Методы проектирования вихревых горелок различного назначения 980 KB
  Характеристики закрученных потоков Сильное влияние закрутки на инертные и реагирующие течения хорошо известно и изучается на протяжении многих лет. Когда эффект закрутки оказывается полезным, конструктор старается создать закрутку, наиболее подхо...
5099. Шифрование методом Поросячья латынь 239.16 KB
  Шифрование методом Поросячья латынь Введение Шифрование — это способ сокрытия исходного смысла сообщения или другого документа, обеспечивающей искажение его первоначального содержимого. Преобразование обычного, понятного содержимого в код...
5100. Создание консольных приложений в среде Visual C++ 52.5 KB
  Цель работы: закрепление основных теоретических положений, изложенных в лекциях по курсу Программирование на языках высокого уровня, отработка навыков практического программирования в среде VisualC++ при создании консольных программ, в...