Еластични и якостни характеристики на материалите. Механични свойства на металите

Разни материалиреагират по различен начин на външна сила, приложена към тях, което води до промяна във формата и линейните им размери. Тази промяна се нарича пластична деформация. Ако тялото след прекратяване на удара независимо възстановява първоначалната си форма и линейни размери, такава деформация се нарича еластична. Еластичността, здравината, здравината и твърдостта са основните механични характеристикитвърди и аморфни тела и определят промените, които настъпват с физическото тяло при деформация под действието на външна сила и нейния граничен случай - разрушаване. Границата на провлачване на материала е стойността на напрежението (или силата на единица площ на напречното сечение), при която започва пластичната деформация.

Познаването на механичните свойства на материала е изключително важно за дизайнера, който ги използва в работата си. Той определя максималното натоварване на определена част или конструкция като цяло, над която ще започне пластична деформация и конструкцията ще загуби своята здравина и форма с вой и може да бъде разрушена. Разрушаването или сериозната деформация на строителни конструкции или елементи на транспортни системи може да доведе до мащабни разрушения, материални загуби и дори човешки жертви.

Граница на провлачване е максималното натоварване, което може да бъде приложено върху конструкцията, без тя да се деформира и да се повреди. Колкото по-висока е стойността му, толкова по-голямо натоварване може да издържи конструкцията.

На практика границата на провлачване на метала определя експлоатационните характеристики на самия материал и продуктите от него при екстремни натоварвания. Хората винаги са предвиждали максималните натоварвания, които издигнатите от тях конструкции или създадените от тях механизми могат да издържат. В ранните етапи от развитието на индустрията това се определя емпирично, и едва през 19 век е положена основата за създаването на теорията за якостта на материалите. Проблемът с надеждността беше решен чрез създаване на многократна граница на безопасност, което доведе до теглото и повишаването на цената на конструкциите. Днес не е необходимо да се създава модел на продукт в определен мащаб или в пълен размер и да се провеждат експерименти за отказ при натоварване върху него - компютърни програмиСемействата CAE (инженерни изчисления) могат точно да изчислят якостните параметри крайния продукти прогнозирам гранични стойноститовари.

Стойността на границата на провлачване на материала

С развитието на атомната физика през 20-ти век стана възможно теоретично да се изчисли стойността на даден параметър. Тази работа е направена за първи път от Яков Френкел през 1924 г. Въз основа на силата на междуатомните връзки той определя количеството напрежение, което е достатъчно за началото на пластична деформация на тела с проста форма, чрез трудни за онова време изчисления. Стойността на границата на провлачване на материала ще бъде равна на

τ τ =G/2π. , където G е модулът на срязване , което определя устойчивостта на връзките между атомите.

Изчисляване на границата на провлачване

Гениалното предположение, направено от Френкел в изчисленията, е, че процесът на промяна на формата на материала се счита за движен от напрежения на срязване. За началото на пластичната деформация се считаше за достатъчно едната половина на тялото да се измести спрямо другата до такава степен, че да не може да се върне към начална позицияпод действието на еластични сили.

Френкел предполага, че материалът, тестван в мисловен експеримент, има кристална или поликристална структура, характерна за повечето метали, керамика и много полимери. Такава структура предполага наличието на пространствена решетка, в чиито възли атомите са разположени в строго определен ред. Конфигурацията на тази решетка е строго индивидуална за всяко вещество, индивидуални са и междуатомните разстояния и силите, свързващи тези атоми. По този начин, за да се предизвика пластична деформация на срязване, ще е необходимо да се разрушат всички междуатомни връзки, преминаващи през условната равнина, разделяща половините на тялото.

При определена стойност на напрежението, равна на границата на провлачване , връзките между атомите от различни половини на тялото ще се разкъсат и определен брой атоми ще се изместят един спрямо друг с едно междуатомно разстояние без възможност да се върнат в първоначалното си положение. При продължително излагане такова микроизместване ще продължи, докато всички атоми на едната половина на тялото загубят контакт с атомите на другата половина.

В макрокосмоса това ще предизвика пластична деформация, ще промени формата на тялото и, ако въздействието продължи, ще доведе до неговото унищожаване. На практика линията на началото на разрушението не минава в средата на физическото тяло, а се намира в местата на материални нееднородности.

Физическа граница на провлачване

В теорията на якостта за всеки материал има няколко стойности на това важна характеристика. Физическата граница на провлачване съответства на стойността на напрежението, при която, въпреки деформацията, специфичното натоварване не се променя изобщо или се променя незначително. С други думи, това е стойността на напрежението, при която физическото тяло се деформира, „тече“, без да се увеличава силата, приложена към пробата

Голям брой метали и сплави по време на изпитване на опън показват диаграма на провлачване без или слабо изразена "площ на провлачане". За такива материали се говори за условна граница на провлачване. Интерпретира се като напрежението, при което възниква деформация в диапазона от 0,2%.

Такива материали включват легирани и високовъглеродни стоманени сплави, бронз, дуралуминий и много други. Колкото по-пластичен е материалът, толкова по-висок е индексът на остатъчна деформация за него. Примери за пластични материали са мед, месинг, чист алуминий и повечето нисковъглеродни стоманени сплави.

Стоманата, като най-популярният масово произвеждан конструктивен материал, е под голямото внимание на специалистите по изчисляване на якостта на конструкциите и максимално допустимите натоварвания върху тях.

Стоманените конструкции по време на своята експлоатация са подложени на големи и сложни по форма комбинирани натоварвания на опън, натиск, огъване и срязване. Натоварванията могат да бъдат динамични, статични и периодични. Въпреки най-трудните условия на използване, проектантът трябва да гарантира, че проектираните от него структури и механизми са издръжливи, безотказни и висока степен на безопасност както за персонала, така и за околното население.

Поради това е представена стомана повишени изискванияпо механични свойства. От гледна точка икономическа ефективност, компанията се стреми да намали напречното сечение и другите размери на своите продукти, за да намали консумацията на материали и теглото и по този начин да увеличи експлоатационни характеристики. На практика това изискване трябва да бъде балансирано с изискванията за безопасност и надеждност, определени в стандартите и спецификациите.

Границата на провлачване на стоманата е ключов параметър в тези изчисления, тъй като характеризира способността на конструкцията да издържа на напрежения без необратима деформация и разрушаване.

Влияние на съдържанието на въглерод върху свойствата на стоманите

Съгласно физикохимичния принцип на адитивността, промяната във физичните свойства на материалите се определя от процентното съдържание на въглерод. Увеличаването на неговия дял до 1,2% позволява да се повиши якостта, твърдостта, границата на провлачване и праговата студена способност на сплавта. По-нататъшното увеличаване на дела на въглерода води до забележимо намаляване на такива технически показатели като способността за заваряване и ограничаване на деформацията по време на щамповане. Нисковъглеродните стомани показват най-добра заваряемост.

Азот и кислород в сплавта

Тези неметали от началото на периодичната система са вредни примеси и намаляват механичните и физически характеристикистомани, като например праг на якост, пластичност и крехкост. Ако кислородът се съдържа в количество над 0,03%, това води до ускорено стареене на сплавта, а азотът повишава крехкостта на материала. От друга страна, съдържанието на азот повишава якостта чрез понижаване на границата на провлачване.

Добавки от манган и силиций

Използва се легираща добавка под формата на манган за деоксидиране на сплавта и компенсиране на отрицателния ефект от вредните съдържащи сяра примеси. Поради сходството на свойствата си с желязото, манганът няма значим независим ефект върху свойствата на сплавта. Типичното съдържание на манган е около 0,8%.

Силицият има подобен ефект, той се добавя по време на процеса на дезоксидация в обемна част не повече от 0,4%. Тъй като силицийът значително влошава такъв технически показател като заваряемостта на стоманата. За конструкционни стомани, предназначени за заваряване, неговият дял не трябва да надвишава 0,25%. Силицият не влияе върху свойствата на стоманените сплави.

Примеси от сяра и фосфор

Сярата е изключително вреден примес и влияе неблагоприятно на мнозина физични свойстваи спецификации.

Максимално допустимото съдържание на този елемент под формата на крехки сулфити е 0,06%

Сярата влошава пластичността, границата на провлачване, якостта на удар, устойчивостта на износване и устойчивостта на корозия на материалите.

Фосфорът има два ефекта върху физични и механични свойствастомани. От една страна, с увеличаване на съдържанието му, границата на провлачване се увеличава, но от друга страна, вискозитетът и течливостта едновременно намаляват. Обикновено съдържанието на фосфор е в диапазона от 0,025 до 0,044%. Фосфорът има особено силен отрицателен ефект при едновременно увеличаване на обемните фракции на въглерода.

Легиращи добавки в състава на сплавите

Легиращите добавки се наричат ​​вещества, които съзнателно се въвеждат в състава на сплавта, за да променят целенасочено нейните свойства правилните индикатори. Такива сплави се наричат ​​легирани стомани. най-доброто представянеможе да се постигне чрез добавяне на няколко добавки едновременно в определени пропорции.

Често срещани добавки са никел, ванадий, хром, молибден и други. С помощта на легиращи добавки се подобрява стойността на границата на провлачване, якостта, вискозитета, устойчивостта на корозия и много други физични, механични и химични параметри и свойства.

Поток от стопилката на метала

Течливостта на металната стопилка е нейното свойство да запълва напълно матрицата, прониквайки в най-малките кухини и релефни детайли. От това зависи точността на отливката и качеството на нейната повърхност.

Свойството може да се подобри чрез поставяне на стопилката под свръхналягане. Това физическо явлениеизползвани в машини за леене под налягане. Този метод може значително да увеличи производителността на процеса на леене, да подобри качеството на повърхността и еднородността на отливките.

Тест на пробата за определяне на границата на провлачване

За извършване на стандартни изпитвания използвайте цилиндричен образец с диаметър 20 mm и височина 10 mm, фиксирайте го в апарата за изпитване и го подложете на опън. Разстоянието между маркировките, нанесени върху страничната повърхност на пробата, се нарича очаквана дължина. По време на измерванията се записва зависимостта на относителното удължение на пробата от големината на силата на опън.

Зависимостта се показва като условна диаграма на разтягане. На първия етап от експеримента увеличаването на силата предизвиква пропорционално увеличаване на дължината на пробата. При достигане на границата на пропорционалност, диаграмата се превръща от линейна в криволинейна и линейната връзка между сила и удължение се губи. В този раздел на диаграмата пробата, когато силата бъде премахната, все още може да се върне към първоначалната си форма и размери.

За повечето материали стойностите на границата на пропорционалност и границата на провлачване са толкова близки, че в практически приложенияразликата между тях не се взема предвид.

Областта на напреженията, при които възниква само еластична деформация, е ограничена от границата на пропорционалност σpc. В тази област във всяко зърно се извършват само еластични деформации, а за пробата като цяло е изпълнен законът на Хук - деформацията е пропорционална на напрежението (оттук и името на границата).

С увеличаване на напрежението в отделните зърна възникват микропластични деформации. При такива натоварвания остатъчните напрежения са незначителни (0,001% - 0,01%).

Напрежението, при което се появяват остатъчни деформации в определените граници, се нарича условна граница на еластичност. В своето обозначение индексът показва количеството остатъчна деформация (в проценти), за което е определена границата на еластичност, например σ 0,01.

Напрежението, при което вече се извършва пластична деформация във всички зърна, се нарича условна граница на провлачване. Най-често се определя при остатъчна деформация от 0,2% и се обозначава σ 0,2.

Формално разликата между границите на еластичност и провлачване се свързва с точността на определяне на "границата" между еластичното и пластичното състояние, което отразява думата "условно". Очевидно е, че σ бр<σ 0.01 <σ 0.2 . Однако значения этих пределов определяется разными процессами. Поэтому термообработка или обработка давлением по-разному влияют на их величину. Отметим, что именно предел пропорциональности или упругости определяет степень проявления неупругих свойств и величину предела усталости.

Липсата на рязка граница между еластичното и пластичното състояние означава, че както еластичните, така и пластичните деформации възникват в диапазона на напрежението между σpc и σ 0,2.

Еластичното състояние съществува, докато дислокациите във всички зърна на метала са неподвижни.

Преходът към пластично състояние се наблюдава в такъв интервал от натоварвания, при който движението на дислокациите (и следователно пластичната деформация) се извършва само в отделни кристални зърна, докато механизмът на еластична деформация продължава да се реализира в останалата част.

Пластичното състояние се осъществява, когато движението на дислокациите се извършва във всички зърна на пробата.

След преустройството на дислокационната структура (завършване на пластичната деформация) металът се връща в еластично състояние, но с променени еластични свойства.

Горните обозначения на границите съответстват на едноосно напрежение, чиято диаграма е показана на фиг. 7.6. Сходни по значение граници се определят за натиск, огъване и усукване.

Разгледаната диаграма е типична за метали, при които преходът от еластично състояние към пластично е много плавен. Има обаче метали с ясно изразен преход към пластмасово състояние. Диаграмите на опън на такива метали имат хоризонтално сечение и се характеризират не с условна, а с физическа граница на провлачване.

Най-важните параметри на еластичното състояние са границата на еластичност σ y и еластичните модули.

Границата на еластичност определя максимално допустимите експлоатационни натоварвания, при които металът изпитва само еластични или малки допустими еластично-пластични деформации. Много грубо (и в посока надценяване), границата на еластичност може да се оцени от границата на провлачване.

Еластични модули характеризират устойчивостта на материала към действието на натоварване в еластично състояние. Модулът на Юнг E определя съпротивлението на нормални напрежения (опън, натиск и огъване), а модулът на срязване G - на срязващи напрежения (усукване). Колкото по-големи са модулите на еластичност, толкова по-стръмен е еластичният участък на диаграмата на деформацията, толкова по-малка е величината на еластичните деформации при равни напрежения и следователно по-голяма е твърдостта на конструкцията. Еластичните деформации не могат да бъдат по-големи от стойността на σ y /E.

По този начин модулите на еластичност определят максимално допустимите експлоатационни деформации (като се вземат предвид големината на границата на еластичност и твърдостта на продуктите. Модулите на еластичност се измерват в същите единици като напрежението (MPa или kgf / mm 2).

Структурните материали трябва да комбинират високи стойности на якост на провлачване (издържат на големи натоварвания) и еластични модули (осигуряват по-голяма твърдост). Модулът на еластичност E има еднаква стойност при натиск и опън. Въпреки това, еластичните граници на натиск и опън могат да се различават. Следователно, при една и съща твърдост, диапазоните на еластичност при натиск и опън могат да бъдат различни.

В еластично състояние металът не изпитва макропластични деформации, но могат да възникнат локални микропластични деформации в отделните му микроскопични обеми. Те са причина за така наречените нееластични явления, които значително влияят върху поведението на металите в еластично състояние. При статични натоварвания се появяват хистерезис, еластично последействие и релаксация, а при динамични натоварвания - вътрешно триене.

Релаксация– спонтанно намаляване на напреженията в продукта. Пример за неговото проявление е отслабването на напрегнатите връзки с течение на времето. Колкото по-ниска е релаксацията, толкова по-стабилни са действащите напрежения. В допълнение, отпускането води до появата на трайна деформация след отстраняване на натоварването. Чувствителността към тези явления се характеризира с устойчивост на релаксация. Оценява се като относителна промяна на напрежението във времето. Колкото по-голям е, толкова по-малко металът е обект на релаксация.

Вътрешното триене определя необратимите загуби на енергия при променливи натоварвания. Загубите на енергия се характеризират с коефициент на затихване или коефициент на вътрешно триене. Металите с голям коефициент на затихване ефективно заглушават звука и вибрациите, са по-малко податливи на резонанс (един от най-добрите затихващи метали е сивият чугун). Металите с нисък коефициент на вътрешно триене, напротив, имат минимален ефект върху разпространението на вибрации (например камбанен бронз). В зависимост от предназначението металът трябва да има високо вътрешно триене (амортисьори) или, обратно, ниско вътрешно триене (пружини на измервателния уред).

С повишаването на температурата еластичните свойства на металите се влошават. Това се проявява в стесняване на еластичната област (поради намаляване на еластичните граници), увеличаване на нееластични явления и намаляване на еластичните модули.

Металите, които се използват за производството на еластични елементи, продукти със стабилни размери, трябва да имат минимални прояви на нееластични свойства. Това изискване е по-добре изпълнено, когато границата на еластичност е много по-висока от работното напрежение. Освен това е важно съотношението между границите на еластичност и провлачване. Колкото по-голямо е отношението σ у / σ 0,2, толкова по-малко е проявата на нееластични свойства. Когато се каже, че даден метал има добри еластични свойства, това обикновено означава не само висока граница на еластичност, но и голяма стойност на σ y / σ 0,2.

ИЗДРЪЖЛИВОСТ НА ОПЪН.При напрежения, превишаващи границата на провлачване σ 0,2, металът преминава в пластично състояние. Външно това се проявява в намаляване на устойчивостта на действащото натоварване и видима промяна във формата и размера. След отстраняване на натоварването металът се връща в еластично състояние, но остава деформиран от количеството остатъчни деформации, които могат далеч да надвишат граничните еластични деформации. Промяната в дислокационната структура в процеса на пластична деформация увеличава границата на провлачване на метала - настъпва неговото деформационно втвърдяване.

Обикновено пластичната деформация се изследва при едноосно опън на образеца. В този случай се определят временното съпротивление σ в, относителното удължение след скъсване δ и относителното стесняване след скъсване ψ. Моделът на опън при напрежения, надвишаващи границата на провлачване, се намалява до две опции, показани на фигура 7.6.

В първия случай се наблюдава равномерно разтягане на целия образец - възниква равномерна пластична деформация, която завършва с разкъсване на образеца при напрежение σv. В този случай σ е условната якост на опън, а δ и ψ определят максималната равномерна пластична деформация.

Във втория случай пробата първо се разтяга равномерно и след достигане на напрежението σ се образува локално стеснение (шийка) и по-нататъшното разтягане до счупване се концентрира в областта на шийката. В този случай δ и ψ са сумата от равномерни и концентрирани деформации. Тъй като „моментът“ на определяне на якостта на опън вече не съвпада с „момента“ на разкъсване на пробата, тогава σ in определя не крайната якост, а условното напрежение, при което завършва равномерната деформация. Въпреки това, стойността на σ в често се нарича условна якост на опън, независимо от наличието или отсъствието на шийка.

Във всеки случай разликата (σ в - σ 0,2) определя обхвата на условните напрежения, при които възниква равномерна пластична деформация, а съотношението σ 0,2 / σ V характеризира степента на втвърдяване. В отгрятия метал σ 0,2 / σ B = 0,5 - 0,6, а след деформационно втвърдяване (закаляване) се увеличава до 0,9 - 0,95.

Думата "условно" по отношение на σ in означава, че е по-малко от "истинското" напрежение S In, действащо в пробата. Факт е, че напрежението σ се определя като съотношението на силата на опън към площта на първоначалното напречно сечение на пробата (което е удобно), докато истинското напрежение S трябва да се определи по отношение на площта на напречното сечение в момента на измерване (което е по-трудно). В процеса на пластична деформация пробата става по-тънка и при разтягане се увеличава разликата между условното и истинското напрежение (особено след образуването на шийка). Ако изградите диаграма на разтягане за истински напрежения, тогава кривата на разтягане ще премине над кривата, начертана на фигурата, и няма да има падащ участък.

Металите могат да имат една и съща стойност на σ в, но ако имат различни диаграми на опън, разрушаването на пробата ще настъпи при различни истински напрежения S B (истинската им якост ще бъде различна).

Якостта на опън σ в се определя при натоварване, действащо за десетки секунди, поради което често се нарича граница на краткотрайна якост.

Пластичната деформация също се изучава при компресия, огъване, усукване, диаграмите на деформация са подобни на тези, показани на фигурата. Но по много причини обикновено се предпочита едноосно напрежение. Най-малко трудоемко е определянето на параметрите на едноосно напрежение σ в и δ, те винаги се определят по време на масови фабрични тестове и техните стойности задължително се дават във всички справочници.

Фиг.7.7. Диаграма на едноосно напрежение на пръта

Описание на методологията за изпитване на метали на опън (и определението на всички термини) е дадено в GOST 1497-73. Изпитването на компресия е описано в GOST 25.503-97, а за усукване - в GOST 3565-80.

ПЛАСТИЧНОСТ И ВИСКОЗИТЕТ.Пластичността е способността на метала да променя формата си, без да нарушава целостта си (без пукнатини, разкъсвания и още повече разрушаване). Проявява се, когато еластичната деформация се замени с пластична, т.е. при напрежения, по-големи от границата на провлачване σ в.

Възможностите за пластична деформация се характеризират със съотношението σ 0,2 / σ c. При σ 0,2 / σ в \u003d 0,5 - 0,6 металът позволява големи пластични деформации (δ и ψ са десетки процента). Напротив, при σ 0,2 / σ в = 0,95 - 0,98 металът се държи като крехък: областта на пластична деформация практически липсва (δ и ψ са 1-3%).

Най-често пластичните свойства се оценяват чрез относителното удължение при скъсване δ. Но тази стойност се определя при статично едноосно напрежение и следователно не характеризира пластичността при други видове деформации (огъване, компресия, усукване), високи скорости на деформация (коване, валцуване) и високи температури.

Пример за това е месингът L63 и LS59-1, които имат практически еднакви стойности на δ, но значително различни пластмасови свойства. Врязаният прът от L63 се огъва в точката на срязване, а от LS59-1 се отчупва с малко усилие. Тел от L63 лесно се сплесква без напукване, а от LS59-1 се напуква след няколко удара. Месингът LS59-1 може лесно да се валцува горещо, а L63 се валцува само в тесен температурен диапазон, извън който заготовката се напуква.

По този начин пластичността зависи от температурата, скоростта и метода на деформация. Пластмасовите свойства са силно засегнати от много примеси, често дори при много ниски концентрации.

На практика за определяне на пластичността се използват технологични проби, при които се използват такива методи на деформация, които са по-съобразени със съответните технологични процеси.

Обща оценка на пластичността е ъгълът на огъване, броят на прегъванията или усукванията, които един полуготов продукт може да издържи без напукване или разкъсване.

Тестът за изтласкване на отвора от лентата (аналогия с щамповане и дълбоко изтегляне) се извършва до появата на разкъсвания и пукнатини.

Добрите пластични свойства са важни при процесите на металоформоване. При нормална работа металът е в еластично състояние и неговите пластични свойства не се проявяват. Следователно на пръв поглед няма смисъл да се фокусираме върху показателите за пластичност при нормална работа на продуктите.

Но ако има възможност за възникване на натоварвания, надвишаващи границата на провлачване, тогава е желателно материалът да е пластичен. Крехкият метал се разпада веднага след превишаване на определена граница, а пластичният материал е в състояние да абсорбира достатъчно излишна енергия, без да се разпадне.

Понятията вискозитет и пластичност често се приравняват, но тези термини характеризират различни свойства:

Пластмаса- определя способността за деформиране без разрушаване, оценява се в линейни, относителни или условни единици.

Вискозитет- определя количеството енергия, погълната по време на пластична деформация, измерва се с помощта на единици енергия.

Количеството енергия, необходимо за разрушаване на материала, е равно на площта под кривата на деформация в диаграмата истинско напрежение-истинска деформация. Това означава, че зависи както от максималната възможна деформация, така и от здравината на метала. Методът за определяне на енергийния интензитет по време на пластична деформация е описан в GOST 23.218-84.

ТВЪРДОСТ.Обобщена характеристика на еластично-пластичните свойства е твърдостта.

твърдост- това е свойството на повърхностния слой на материала да устои на въвеждането на друго, по-твърдо тяло, когато то е концентрирано върху повърхността на материала. „Другото, по-твърдо тяло“ е индентор (стоманена топка, диамантена пирамида или конус), пресован в изпитвания метал.

Напреженията, причинени от индентора, се определят от неговата форма и силата на вдлъбнатината. В зависимост от големината на тези напрежения в повърхностния слой на метала възникват еластични, еластично-пластични или пластични деформации. В първия случай отстраняването на товара не оставя следа върху повърхността. Ако напрежението надвиши границата на еластичност на метала, тогава след отстраняване на товара върху повърхността остава отпечатък.

Колкото по-малък е вдлъбнатината, толкова по-висока е устойчивостта на вдлъбнатина и толкова по-висока твърдост се счита. Чрез големината на концентрираното усилие, което все още не е оставило отпечатък, е възможно да се определи твърдостта при границата на провлачване.

Численото определяне на твърдостта се извършва по методите на Vickers, Brinell и Rockwell.

При метода на Рокуел твърдостта се измерва в HR единици, които отразяват степента на еластично възстановяване на вдлъбнатината след отстраняване на натоварването. Тези. числото на твърдостта по Рокуел определя устойчивостта на еластични или малки пластични деформации. В зависимост от вида на метала и неговата твърдост се използват различни скали. Най-често използваната скала е C и числото на твърдостта HRC.

По отношение на HRC често се формулират изисквания за качеството на повърхността на стоманените части след топлинна обработка. Твърдостта HRC най-добре отразява нивото на производителност на високоякостните стомани и като се има предвид лекотата на измерване по Рокуел, тя се използва много широко в практиката. Подробности за метода на Рокуел с описание на различните скали и твърдост на различните класове материали.

Твърдостта на Викерс и Бринел се определя като съотношението на силата на вдлъбнатина към контактната площ на индентора и метала при максималното проникване на индентора. Тези. числата на твърдост HV и HB имат значението на средното напрежение върху повърхността на невъзстановен отпечатък, измерват се в единици напрежение (MPa или kgf / mm 2) и определят устойчивостта на пластична деформация. Основната разлика между тези методи е свързана с формата на индентора.

Използването на диамантена пирамида по метода на Викерс (GOST 2999-75, GOST R ISO 6507-1) осигурява геометрично сходство на пирамидални отпечатъци при всякакво натоварване - съотношението на дълбочината и размера на отпечатъка при максимално вдлъбнатина не зависи върху приложената сила. Това дава възможност за доста стриктно сравняване на твърдостта на различни метали, включително резултатите, получени при различни натоварвания.

Топковите индентори по метода на Бринел (GOST 9012-59) не осигуряват геометрично сходство на сферични вдлъбнатини. Това води до необходимостта да се избере стойността на натоварването в зависимост от диаметъра на сферичния индентор и вида на изпитвания материал съгласно таблиците с препоръчителните параметри за изпитване. Последствието от това е неяснота при сравняване на стойностите на твърдост HB за различни материали.

Зависимостта на определената твърдост от величината на приложеното натоварване (малка за метода на Викерс и много силна за метода на Бринел) изисква условията на изпитване да бъдат посочени при записване на числото на твърдостта, въпреки че това правило често не се спазва.

Зоната на въздействие на индентора върху метала е сравнима с размера на отпечатъка, т.е. твърдостта характеризира местните свойства на полуфабрикат или продукт. Ако повърхностният слой (плакиран или закален) се различава по свойства от основния метал, тогава измерените стойности на твърдост ще зависят от съотношението на дълбочината на вдлъбнатината и дебелината на слоя - т.е. ще зависи от метода и условията на измерване. Резултатът от измерването на твърдостта може да се отнася или само за повърхностния слой, или за основния метал, като се вземе предвид неговия повърхностен слой.

При измерване на твърдостта получената устойчивост на проникване на индентора в метала се определя, без да се вземат предвид отделните структурни компоненти. Осредняването се извършва, ако размерът на отпечатъка надвишава размера на всички нехомогенности. Твърдостта на отделните фазови компоненти (микротвърдост) се определя по метода на Викерс при ниски сили на вдлъбнатина.

Няма пряка връзка между различните скали за твърдост и няма разумни методи за прехвърляне на числата за твърдост от една скала в друга. Наличните таблици, формално свързващи различните скали, са изградени на базата на сравнителни измервания и са валидни само за определени категории метали. В такива таблици числата за твърдост обикновено се сравняват с числата за твърдост HV. Това се дължи на факта, че методът на Vickers ви позволява да определите твърдостта на всякакви материали (при други методи обхватът на измерената твърдост е ограничен) и осигурява геометрично сходство на отпечатъците.

Освен това няма пряка връзка между твърдостта и границата на провлачване или якостта, въпреки че на практика често се използва съотношението σ в \u003d k HB. Стойностите на коефициента k се определят въз основа на сравнителни тестове за конкретни класове метали и варират от 0,15 до 0,5 в зависимост от вида на метала и неговото състояние (отгрят, усилено обработен и др.).

Промени в еластичните и пластичните свойства при температурни промени, след топлинна обработка, работно закаляване и др. се появяват като промяна в твърдостта. Твърдостта се измерва по-бързо, по-лесно, позволява безразрушителен тест. Поради това е удобно да се контролира промяната в характеристиките на метала след различни видове обработка именно чрез промяна на твърдостта. Например втвърдяването, увеличаването на σ 0,2 и σ 0,2 / σ в, увеличава твърдостта, а отгряването я намалява.

В повечето случаи твърдостта се определя при стайна температура с експозиция на индентора за по-малко от минута. Определената в този случай твърдост се нарича краткотрайна твърдост. При високи температури, когато се развие явлението пълзене (виж по-долу), се определя дългосрочната твърдост - реакцията на метала към продължително излагане на индентора (обикновено в рамките на един час). Дългосрочната твърдост винаги е по-малка от краткотрайната и тази разлика се увеличава с повишаване на температурата. Например при медта краткотрайната и дългосрочната твърдост при 400 o C е 35HV и 25HV, а при 700 o C - съответно 9HV и 5HV.

Разглежданите методи са статични: инденторът се въвежда бавно, а максималното натоварване действа достатъчно дълго, за да завършат процесите на пластична деформация (10–180 s). При динамичните (ударни) методи въздействието на индентора върху метала е краткотрайно и поради това процесите на деформация протичат по различен начин. Различни варианти на динамични методи се използват в преносимите твърдомери.

При сблъсък с изследвания материал енергията на индентора (ударника) се изразходва за еластична и пластична деформация. Колкото по-малко енергия се изразходва за пластична деформация на пробата, толкова по-висока трябва да бъде нейната "динамична" твърдост, която определя устойчивостта на материала на еластично-пластична деформация при удар. Първичните данни се преобразуват в числа на "статична" твърдост (HR, HV, HB), които се показват на устройството. Такова преизчисляване е възможно само въз основа на сравнителни измервания за конкретни групи материали.

Има също оценки на твърдост за устойчивост на износване или рязане, които отразяват по-добре съответните свойства на обработка на материалите.

От казаното следва, че твърдостта не е основно свойство на материала, а е обобщена характеристика, която отразява неговите еластично-пластични свойства. В този случай изборът на метод и условия на измерване може да характеризира главно неговите еластични или, обратно, пластични свойства.

2. Еластична граница

3. Провлачване

4. Якост на опън или якост на опън

5. Напрежение при почивка

рисуване. 2.3 - Изглед на цилиндрична проба след счупване (а) и промяна в зоната на пробата в близост до мястото на счупване (б)

За да може диаграмата да отразява само свойствата на материала (независимо от размера на пробата), тя се престроява в относителни координати (стрес-деформация).

Произволни ординати i-тоточките на такава диаграма (фиг. 2.4) се получават чрез разделяне на стойностите на силата на опън (фиг. 2.2) на началната площ на напречното сечение на пробата (), а абсцисите са получено чрез разделяне на абсолютното удължение на работната част на пробата на нейната първоначална дължина (). По-специално, за характерните точки на диаграмата ординатите се изчисляват по формули (2.3) ... (2.7).

Получената диаграма се нарича диаграма на условно напрежение (фиг. 2.4).

Конвенцията на диаграмата се състои в метода за определяне на напрежението не от текущата площ на напречното сечение, която се променя по време на теста, а от оригиналната - Диаграмата на напрежението запазва всички характеристики на оригиналната диаграма на опън. Характеристичните напрежения на диаграмата се наричат ​​пределни напрежения и отразяват якостните свойства на изпитвания материал. (формули 2.3…2.7). Обърнете внимание, че границата на провлачване на метала, преподавана в този случай, съответства на новото физическо състояние на метала и следователно се нарича физическа граница на провлачане

рисуване. 2.4 - Диаграма на напрежението

От диаграмата на напрежението (фиг. 2.4) се вижда, че

т.е. модул на опън дчислено равен на тангенса на ъгъла на наклона на началния прав участък от диаграмата на напрежението спрямо абсцисната ос. Това е геометричният смисъл на модула на еластичност при опън.

Ако свържем силите, действащи върху образеца във всеки момент на натоварване, с истинската стойност на напречното сечение в съответния момент от време, тогава получаваме диаграма на истинските напрежения, често обозначавани с буквата С(Фиг. 2.5, плътна линия). Тъй като диаметърът на образеца намалява незначително в участъка на диаграмата 0-1-2-3-4 (вратът все още не е оформен), истинската диаграма в рамките на този участък практически съвпада с условната диаграма (пунктирана крива) , преминавайки малко по-високо.

рисуване. 2.5 - Диаграма на истинските напрежения

Конструкцията на останалия участък от диаграмата на истинското напрежение (участък 4-5 на фиг. 2.5) налага измерването на диаметъра на пробата по време на изпитването на опън, което не винаги е възможно. Съществува приблизителен метод за конструиране на този участък от диаграмата, базиран на определяне на координатите на точка 5 () от истинската диаграма (фиг. 2.5), съответстваща на момента на разкъсване на пробата. Първо се определя истинското напрежение на счупване

където е силата върху образеца в момента на неговото разкъсване;

е площта на напречното сечение в шийката на пробата в момента на разкъсване.

Втората координата на точката - относителна деформация включва два компонента - истинска пластична - и еластична - . Стойността може да се определи от условието за равенство на обемите на материала в близост до точката на разкъсване на пробата преди и след изпитването (фиг. 2.3). Така че, преди тестване, обемът на материала на проба с единица дължина ще бъде равен на , а след разкъсване, . Тук е удължението на проба с единица дължина близо до мястото на разкъсване. Тъй като истинската деформация е тук и , Че . Еластичният компонент се намира по закона на Хук: . Тогава абсцисата на точка 5 ще бъде равна на . Начертавайки гладка крива между точки 4 и 5, получаваме пълния изглед на истинската диаграма.

За материали, чиято диаграма на опън в началния участък няма ясно изразена граница на провлачване (виж фиг. 2.6), границата на провлачване се определя условно като напрежението, при което остатъчната деформация е стойността, установена от GOST или технически условия. Съгласно GOST 1497–84 тази стойност на постоянна деформация е 0,2% от измерената дължина на пробата и условна граница на провлачване се обозначава със символа - .

При изпитване на проби за напрежение, в допълнение към характеристиките на якост, се определят и характеристики на пластичност, които включват относително разширение проба след разкъсване, дефинирано като съотношението на нарастването на дължината на пробата след разкъсване към нейната първоначална дължина:

И относително стесняване , изчислено по формулата

% (2.10)

В тези формули - първоначалната прогнозна дължина и площта на напречното сечение на пробата, - съответно дължината на изчислената част и минималната площ на напречното сечение на пробата след разкъсване.

Вместо относителна деформация в някои случаи се използва така наречената логаритмична деформация. Тъй като дължината на пробата се променя при разтягане на пробата, увеличението на дължината се увеличава длотнасят се не към , а към текущата стойност . Ако интегрираме увеличенията на разширението при промяна на дължината от на , тогава получаваме логаритмична или истинска деформация на метала

Тогава – напрежение при прекъсване (т.е. . = к) ще

.

Трябва също така да се има предвид, че пластичната деформация в образеца протича неравномерно по дължината му.

В зависимост от естеството на метала те условно се разделят на много пластични (отгрята мед, олово), пластични (нисковъглеродни стомани), крехки (сив чугун) и много крехки (бял чугун, керамика).

Скорост на прилагане на натоварването V деформирамвлияе върху външния вид на диаграмата и характеристиките на материала. σ T И σ V нараства с увеличаване на скоростта на натоварване. Намаляват се деформациите, съответстващи на якостта на опън и точката на счупване.

Обикновените машини осигуряват скорост на деформация

10 -2 …10 -5 1/сек.

С понижаване на температурата T испански за перлитни стомани се увеличава σ T и намалява.

аустенитни стомани, АлИ Тисплавите са по-малко чувствителни към понижаване T.

С повишаване на температурата деформациите се променят с времето при постоянни напрежения, т.е. възниква пълзене и след това > σ , теми< .

Обикновено има три етапа на пълзене. За машиностроенето най-голям интерес представлява II етап, където έ = const (стабилен етап на пълзене).

За да се сравни устойчивостта на пълзене на различни метали, се въвежда условна характеристика - границата на пълзене.

граница на пълзене σ мн нарича се напрежението, при което пластичната деформация за определен период от време достига стойността, установена от техническите условия.

Наред с понятието „пълзене“ е известно и понятието „отпускане на стреса“.

Процесът на релаксация на напрежението протича при постоянни деформации.

Екземпляр под постоянно натоварване при високо Tможе да се повреди или с образуването на шийка (пластична междукристална фрактура) или без нея (крехка транскристална фрактура). Първият е характерен за по-ниските Tи високо σ .

Сила на материала при висока Tоценени от границата на дълготрайна якост.

Издръжливост на опън(σdp)е отношението на натоварването, при което образецът за опън се срутва след определен период от време, към първоначалната площ на напречното сечение.

При проектиране на заварени продукти, работещи при повишени T, се ръководят от следните количества при присвояване [ σ ]:

а) при T 260 o C за максимална якост σ V ;

б) когато T 420 ° C за въглеродни стомани T < 470 о С для стали 12Х1МФ, T< 550 о С для 1Х18Н10Т – на σ T ;

в) при по-високи Tдо границата на дългосрочна сила σ dp .

В допълнение към горните методи за изпитване при статични натоварвания се извършват и тестове за огъване, усукване, срязване, компресия, смачкване, стабилност и твърдост.

Свойствата на опън, както и при други статични изпитвания, могат да бъдат разделени на три основни групи: характеристики на якост, пластичност и вискозитет. Якостни свойства - това са характеристиките на устойчивостта на материала на пробата към деформация или разрушаване. Повечето стандартни якостни характеристики се изчисляват от позицията на определени точки на диаграмата на опън, под формата на условни напрежения на опън. В раздел 2.3 са анализирани диаграми в координатите истинско напрежение - истинска деформация, които най-точно характеризират деформационното втвърдяване. На практика механичните свойства обикновено се определят от първичните криви на опън в координатите натоварване - абсолютно удължение, които автоматично се записват на диаграмната лента на машината за изпитване. За поликристали от различни метали и сплави цялото разнообразие от тези криви при ниски температури може да се сведе в първо приближение до три вида (фиг. 2.44).

Фигура 2.44- Видове първични криви на разтягане

Тип I диаграма на опън е типична за образци, които се разрушават без забележима пластична деформация. Диаграма тип II се получава чрез разтягане на образци, които са равномерно деформирани до разрушаване. И накрая, диаграмата от тип III е типична за екземпляри, които се повредят след шиене в резултат на фокусирандеформации. Такава диаграма може да се получи и при разтягане на образци, които се разпадат без образуване на шия (при високотемпературно разтягане); парцел кнтук тя може да бъде силно разтегната и почти успоредна на оста на деформация. Увеличаването на натоварването до момента на разрушаване (виж фиг. 2.44, II) или до максимума (вижте Фиг. 2.44, III) могат да бъдат гладки (плътни линии) или начупени. В последния случай, по-специално, на диаграмата на опън може да се появи зъб и плато на провлачване (пунктирана линия на фиг. 2.44, III,III).

В зависимост от вида на диаграмата се променя наборът от характеристики, които могат да бъдат изчислени от нея, както и тяхното физическо значение. На фиг. 2.44 (диаграма тип III) са нанесени характерни точки, по ординатите на които се изчисляват якостните характеристики

(σ i = P i /F 0).

Както можете да видите, в диаграмите на другите два типа (вижте фиг. 2.44, аз,II) не всички от тези точки могат да бъдат начертани.

Граница на пропорционалност.Първата характерна точка на диаграмата на разтягане е точката стр(Вижте Фигура 2.45). Силата P nu определя стойността пропорционална граница - напрежението, което материалът на пробата може да издържи без отклонение от закона на Хук.

Приблизително стойността на P nu може да се определи от точката, в която започва разминаването на кривата на разтягане и продължението на правия участък (фиг. 2.46).

Фигура 2.46- Графични начини за определяне на границата на пропорционалност.

С цел уеднаквяване на методологията и подобряване на точността на изчисляване на границата на пропорционалност, тя се оценява като условно напрежение (σ nu), при което отклонението от линейната зависимост между натоварване и удължение достига определена стойност. Обикновено толерансът при определяне на σ nu се задава чрез намаляване на тангенса на ъгъла на наклона, образуван от допирателната към кривата на опън в точката стрс оста на деформация, в сравнение с тангентата в началното еластично сечение. Стандартният толеранс е 50%, възможни са също 10% и 25% толеранси. Стойността му трябва да бъде посочена в обозначението на границата на пропорционалност - σ nu 50, σ nu 25, σ nu 10.

При достатъчно голям мащаб на диаграмата на първичното разтягане стойността на границата на пропорционалност може да се определи графично директно върху тази диаграма (виж фиг. 2.46). Първо, продължете правия участък, докато се пресече с оста на деформация в точката 0, което се приема като ново начало на координатите, като по този начин се изключва началният участък от диаграмата, изкривен поради недостатъчна твърдост на машината. След това можете да използвате два метода. Според първия от тях на произволна височина в рамките на еластичната област се възстановява перпендикуляр ABкъм оста на товара (виж фиг. 2.46, А), поставете сегмент по него пр.н.е.=½ ABи начертайте линия ОПЕРАЦИОННА СИСТЕМА.В този случай tg α′= tg α/1,5. Ако сега начертаем успоредно допирателна към кривата на разтягане операционна система, след това точката на контакт Ропределяне на желаното натоварване Пню .

При втория метод се спуска перпендикуляр от произволна точка на праволинейния участък на диаграмата KU(виж фиг. 2.46, b) върху оста x и го разделете на три равни части. Чрез точката ° Си началото на координатите начертайте права линия, а успоредна на нея - допирателна към кривата на разтягане. допирна точка стрсъответства на усилието П nu (tan α′= tan α/1,5).

Можете по-точно да определите границата на пропорционалност с помощта на тензодатчици - специални устройства за измерване на малки деформации.

Еластична граница. Следващата характерна точка на първичната диаграма на разтягане (виж Фиг. 2.45) е точката д. Съответства на натоварването, според което се изчислява условното граница на еластичност - напрежението, при което остатъчното удължение достига дадена стойност,обикновено 0,05%, понякога по-малко - до 0,005%. Допустимото отклонение, използвано при изчислението, е посочено в обозначението на условната граница на еластичност σ 0,05, σ 0,01 и т.н.

Границата на еластичност характеризира напрежението, при което се появяват първите признаци на макропластична деформация. Поради малкия толеранс за остатъчно удължение, дори σ 0,05 е трудно да се определи с достатъчна точност от диаграмата на първичния опън. Следователно, в случаите, когато не се изисква висока точност, еластичната граница се приема равна на пропорционалната граница. Ако се изисква точна количествена оценка на σ 0,05, тогава се използват тензодатчици. Процедурата за определяне на σ 0,05 до голяма степен е подобна на описаната за σ nu , но има една фундаментална разлика. Тъй като при определяне на границата на еластичност допустимото отклонение се определя от стойността на остатъчната деформация, след всеки етап на натоварване е необходимо пробата да се разтовари до първоначалното напрежение σ 0 ≤ 10% от очакваното σ 0,05 и след това само да се измери удължение с тензодатчик.

Ако мащабът на записване на диаграмата на опън по оста на удължение е 50:1 или повече и по оста на натоварване ≤10 MPa на 1 mm, се допуска графично определяне на σ 0,05. За да направите това, се полага сегмент по протежение на оста на удължение от началото на координатите Добре= 0,05 л 0/100 и през точка ДА СЕначертайте права линия, успоредна на праволинейния участък на диаграмата (фиг. 2.47). Точкова ордината дще съответства на натоварването Р 0,05, което определя условната граница на еластичност σ 0,05 = P 0,05 / F 0 .

Ограничение на добива.При липса на диаграма за разтягане на зъбите и платформа за добив, изчислете условна граница на провлачване - напрежението, при което остатъчното удължение достига дадена стойност,обикновено 0,2%. Съответно условната граница на провлачване се обозначава като σ 0,2. Както можете да видите, тази характеристика се различава от условната еластична граница само със стойността на толеранса. Лимит

Добивът характеризира напрежението, при което настъпва по-пълен преход към пластична деформация.

Най-точната оценка на стойността на σ 0,2 може да се направи с помощта на тензодатчици. Тъй като толерансът на удължение за изчисляване на номиналната граница на провлачване е относително голям, той често се определя графично от диаграмата на опън, ако последната е записана в достатъчно голям мащаб (поне 10:1 по оста на деформация). Това се прави по същия начин, както при изчисляване на границата на еластичност (виж фиг. 2.47), само сегментът Добре = 0,2l 0/100.

Условните граници на пропорционалност, еластичност и провлачване характеризират устойчивостта на материала на малки деформации. Тяхната стойност леко се различава от истинските напрежения, съответстващи на съответните допуски на деформация. Техническото значение на тези граници е да се оценят нивата на стрес, при които

една или друга част може да работи без да бъде подложена на постоянна деформация (граница на пропорционалност) или деформирана с някаква малка допустима стойност, определена от условията на работа (σ 0,01, σ 0,05, σ 0,2 и т.н.). Като се има предвид, че в съвременната технология възможността за остатъчна промяна в размерите на частите и конструкциите е все по-строго ограничена, спешната необходимост от точно познаване на границите на пропорционалност, еластичност и течливост, които се използват широко в проектните изчисления, става ясно.

Физическото значение на границата на пропорционалност на всеки материал е толкова очевидно, че не изисква специално обсъждане. Действително σ nu за монокристал и поликристал, хомогенен метал и хетерофазна сплав винаги е максималното напрежение, до което се спазва законът на Хук по време на опън и не се наблюдава макропластична деформация. Трябва да се помни, че преди да се достигне σ nu в отделни зърна на поликристална проба (с тяхната благоприятна ориентация, наличие на концентратори на напрежение), може да започне пластична деформация, която обаче няма да доведе до забележимо удължаване на цялата проба докато по-голямата част от зърната се покрият от деформация.

Началните етапи на макроудължаване на пробата съответстват на еластичната граница. За благоприятно ориентиран монокристал, той трябва да бъде близо до критичното напрежение на срязване. Естествено, за различни кристалографски ориентации на единичен кристал границата на еластичност ще бъде различна. В достатъчно финозърнест поликристал при липса на текстура границата на еластичност е изотропна, еднаква във всички посоки.

Характерът на условната граница на провлачване на поликристала е по принцип подобен на характера на границата на еластичност. Но границата на провлачване е най-често срещаната и важна характеристика на устойчивостта на метали и сплави с малка пластична деформация. Ето защо трябва да се анализира по-подробно физическият смисъл на границата на провлачване и нейната зависимост от различни фактори.

Плавен преход от еластична към пластична деформация (без зъб и плато на провлачване) се наблюдава по време на опън на такива метали и сплави, в които има достатъчно голям брой подвижни, свободни дислокации в първоначалното състояние (преди изпитването). Напрежението, необходимо за началото на пластичната деформация на поликристалите на тези материали, оценено чрез условната граница на провлачване, се определя от силите на съпротивление на движението на дислокациите вътре в зърната, лекотата на пренасяне на деформация през техните граници и размер на зърната.

Тези фактори също определят стойността физическа граница на провлачванеσ t - напрежение, при което образецът се деформира под действието на почти постоянно натоварване на опън P t (виж Фиг. 2.45, граница на провлачване на пунктираната крива). Физическата граница на провлачване често се нарича долна граница на провлачване, за разлика от горната граница на провлачване, изчислена от натоварването, съответстващо на върха на зъба на провлачване. И(виж фиг. 2.45): σ t.v = П t.v / F0.

Образуването на зъб и платформа за провлачване (т.нар. феномен на остър пробив) външно изглежда по следния начин. Еластичното напрежение води до плавно нарастване на съпротивлението на деформация до σ t.v, след това относително рязък спад на напреженията до σ t. По време на удължението, съответстващо на тази област, пробата върху работната дължина се покрива с характерни ивици на Чернов-Лудерс, в които се локализира деформация. Следователно стойността на удължението при границата на провлачване (0,1 - 1%) често се нарича деформация на Чернов-Лудерс.

Феноменът на рязка течливост се наблюдава в много технически важни метални материали и следователно е от голямо практическо значение. Той също така представлява общ теоретичен интерес от гледна точка на разбирането на природата на началните етапи на пластичната деформация.

През последните десетилетия беше показано, че зъб и граница на провлачване могат да бъдат получени чрез разтягане на моно- и поликристали от метали и сплави с различни решетки и микроструктури. Най-често се регистрира рязка течливост при изпитване на метали с bcc решетка и сплави на тяхна основа. Естествено, практическото значение на рязката течливост за тези метали е особено голямо и повечето от теориите също са разработени във връзка с характеристиките на тези метали. Използването на концепции за дислокация за обяснение на рязката течливост беше едно от първите и много плодотворни приложения на теорията на дислокацията.

Първоначално образуването на зъб и плато на добив в bcc метали беше свързано с ефективното блокиране на дислокации от примеси. Известно е, че интерстициалните примесни атоми в bcc решетка образуват полета на еластични напрежения, които нямат сферична симетрия и взаимодействат с дислокации от всякакъв тип, включително чисто винтови дислокации. Дори при ниски концентрации [<10 -1 - 10 -2 % (ат.)] примеси (например, азот и углерод в железе) способны блокировать все дислокации, имеющиеся в металле до деформации. Тогда, по Коттреллу, для начала движения дислокаций и для начала пластического течения необходимо приложить напряжение, гораздо большее, чем это требуется для перемещения дислокаций, свободных от примесных атмосфер. Следовательно, вплоть до момента достижения верхнего предела текучести заблокированные дислокации не могут начать двигаться, и деформация идет упруго. После достижения σ тв по крайней мере часть этих дислокаций (расположенных в плоскости действия максимальных касательных напряжений) отрывается от своих атмосфер и начинает перемещаться, производя пластическую деформацию. Последующий спад напряжений - образование зуба текучести - происходит потому, что свободные от примесных атмосфер и более подвижные дислокации могут скользить некоторое время под действием меньших напряжений σ тн пока их торможение не вызовет начала обычного деформационного упрочнения.

Правилността на теорията на Котрел се потвърждава от резултатите от следните прости експерименти. Ако образец от желязо се деформира, например, до точка А(Фиг. 2.48), разтоварете го и веднага го разтегнете отново, тогава зъбът и границата на провлачване няма да възникнат, тъй като след предварително разтягане в новото първоначално състояние пробата съдържа много подвижни дислокации, свободни от примесни атмосфери. Ако сега след разтоварване от пункта Асъхранявайте пробата при стайна или леко повишена температура, т.е. за да се даде време за кондензация на примеси върху дислокациите, след което с ново напрежение на диаграмата отново ще се появи зъб и плато на провлачване.

По този начин теорията на Котрел свързва внезапната течливост с деформационно стареене - закрепване на дислокации от примеси.

Предположението на Котрел, че след деблокиране пластичната деформация, поне първоначално, се извършва от приплъзването на тези „стари“, но вече освободени от примеси дислокации, се оказа неуниверсално. За редица материали е установено, че първоначалните дислокации могат да бъдат толкова силно фиксирани, че да не настъпи тяхното разблокиране, а пластичната деформация в границата на провлачване възниква поради движението на новообразуваните дислокации. В допълнение, образуването на зъб и плато на провлачване се наблюдава при кристали без дислокации - "мустаци". Следователно теорията на Котрел описва само конкретен, макар и важен случай на внезапна течливост.

В основата на съвременната теория за едноименния добив, която все още не може да се счита за окончателно установена, е същата позиция, изложена от Котрел: зъбът и платото на добива се дължат на рязко увеличаване на броя на подвижните дислокации в началото на пластичен поток. Това означава, че за появата им трябва да са изпълнени две условия: 1) броят на свободните дислокации в първоначалната проба трябва да е много малък и 2) той трябва да може бързо да нараства по един или друг механизъм в самото начало на пластичната деформация. .

Липсата на подвижни дислокации в оригиналната проба може да бъде свързана или с високото съвършенство на нейната субструктура (например в мустаци), или с закрепването на повечето от наличните дислокации. Според Котрел такова закрепване може да се постигне чрез образуването на примесни атмосфери. Възможни са и други начини за фиксиране, например чрез частици от втората фаза.

Броят на подвижните дислокации може рязко да се увеличи:

1) Поради деблокирането на предварително фиксирани дислокации (отделяне от атмосфери на примеси, заобикаляне на частици чрез напречно приплъзване и др.);

2) Чрез образуване на нови дислокации;

3) Чрез възпроизвеждането им в резултат на взаимодействие.

При поликристалите границата на провлачване силно зависи от размера на зърното. Границите на зърната служат като ефективни бариери за движещи се дислокации. Колкото по-фино е зърното, толкова по-често тези бариери се появяват по пътя на плъзгащите се дислокации и са необходими високи напрежения, за да продължи пластичната деформация дори в началните й етапи. В резултат на това, тъй като зърното се рафинира, границата на провлачване се увеличава. Многобройни експерименти показват, че по-ниската граница на провлачване

σ t.n. = σ i + K y d -½, (2.15)

където σ i и K y -константи на материала при определена температура на изпитване и скорост на деформация; д- размер на зърното (или субзърно в случай на полигонизирана структура).

Формула 2.15, наречена уравнение на Petch-Hall след първите си автори, е универсална и добре описва ефекта на размера на зърното не само върху σ so, но също и върху условната граница на провлачване и като цяло всяко напрежение в областта на равномерна деформация .

Физическата интерпретация на емпиричното уравнение (2.15) се основава на вече разгледаните идеи за природата на острата течливост. Константата σ i се счита за напрежението, необходимо за преместване на дислокациите вътре в зърното, и членът K y d -½- като напрежение, необходимо за задвижване на източници на дислокация в съседни зърна.

Стойността на σ i зависи от силата на Peierls-Nabarro и препятствията за приплъзване на дислокация (други дислокации, чужди атоми, частици от втората фаза и т.н.). По този начин σ i - "напрежение на триене" - компенсира силите, които дислокациите трябва да преодолеят, когато се движат вътре в зърното. За да определите експериментално σ i, можете да използвате диаграмата на първичното напрежение: стойността на σ i съответства на точката на пресичане на кривата на опън, екстраполирана към областта на малки деформации зад платото на провлачване с правия участък на тази крива (фиг. 2,49, А). Този метод за оценка на σ i се основава на идеята, че графиката iusдиаграмите на опън са резултат от поликристалния характер на разтегнатата проба; ако беше единичен кристал, тогава пластмасовият поток щеше да започне от точката аз .

Фигура 2.49.Определяне на напрежението на изтичане σ i по диаграмата на опън (а) и зависимостта на долната граница на провлачане от размера на зърното (б).

Вторият начин за определяне на σ i - екстраполация на правата линия σ така наречената - d-½до стойност d-½ = 0 (виж Фиг. 2.49, b). Тук директно се приема, че σ i е границата на провлачване на единичен кристал със същата вътрезърнеста структура като поликристалите.

Параметър K yхарактеризира наклона на правата линия σ t - д- ½ . Според Котрел,

K y = σ д(2л) ½ ,

където σ днапрежението, необходимо за деблокиране на дислокации в съседно зърно (например отделяне от атмосфера на примеси или от граница на зърно); ле разстоянието от границата на зърното до най-близкия източник на дислокация.

По този начин, K yопределя трудността на прехвърляне на деформация от зърно на зърно.

Ефектът на внезапния поток зависи от температурата на изпитване. Промяната му засяга както височината на зъба на провлачване, така и дължината на платформата и най-важното - стойността на долната (физическа) граница на провлачване. С повишаване на температурата на изпитване височината на зъбите и дължината на платото на провлачване обикновено намаляват. Такъв ефект, по-специално, се проявява при напрежение на bcc метали. Изключенията са сплави и температурни диапазони, при които нагряването увеличава блокирането на дислокациите или възпрепятства тяхното генериране (например по време на стареене или подреждане).

По-ниската граница на провлачване е особено рязко намалена при такива температури, когато степента на блокиране на дислокациите се променя значително. При bcc метали, например, се наблюдава рязка температурна зависимост на σt.n. под 0,2 T pl, което просто причинява тяхната склонност към крехко счупване при ниски температури (вижте раздел 2.4). Неизбежността на температурната зависимост на σ t следва от физическия смисъл на нейните компоненти. Наистина σ i трябва да зависи от температурата, тъй като напреженията, необходими за преодоляване на силите на триене, намаляват с повишаване на температурата поради лесното заобикаляне на бариерите чрез напречно плъзгане и пълзене. Степента на блокиране на дислокациите, която определя стойността K yа оттам и терминът K y d -½във формула (2. 15), също трябва да намалява при нагряване. Например, в bcc металите това се дължи на размазването на примесните атмосфери още при ниски температури поради високата дифузионна подвижност на интерстициалните примеси.

Условната граница на провлачване обикновено е по-малко зависима от температурата, въпреки че естествено намалява при нагряване на чисти метали и сплави, в които не настъпват фазови трансформации по време на изпитването. Ако има такива трансформации (особено стареене), тогава естеството на промяната в границата на провлачване с повишаване на температурата става двусмислено. В зависимост от промените в структурата тук са възможни както спад и увеличение, така и сложна зависимост от температурата. Например, повишаването на температурата на опън на предварително закалена сплав - свръхнаситен твърд разтвор, първо води до увеличаване на границата на провлачване до някакъв максимум, съответстващ на най-голямото количество диспергирани кохерентни утайки от продуктите на разлагане на твърдото вещество разтвор, който възниква по време на тестването, и с по-нататъшно повишаване на температурата σ 0,2 ще намалее поради загубата на кохерентност на частиците с матрицата и тяхната коагулация.

Издръжливост на опън.След преминаване на точката св диаграмата на опън (виж фиг. 2.45), има сериозна пластична деформация в пробата, която преди това беше разгледана подробно. До точка "с" работната част на образеца запазва първоначалната си форма. Удължението тук е равномерно разпределено по ефективната дължина. В точката „при ” тази макроравномерност на пластичната деформация е нарушена. В част от пробата, обикновено в близост до концентратора на напрежение, който вече е бил в първоначалното състояние или се е образувал по време на опън (най-често в средата на изчислената дължина), започва локализирането на деформацията. Съответства на локалното стесняване на напречното сечение на пробата - образуването на шийката.

Възможността за значителна равномерна деформация и "забавяне" на момента на началото на образуването на шия в пластмасовите материали се дължи на деформационно втвърдяване. Ако не беше там, тогава шийката щеше да започне да се образува веднага след достигане на границата на провлачване. На етапа на равномерна деформация, увеличаването на напрежението на потока, дължащо се на деформационно втвърдяване, се компенсира напълно от удължението и стесняването на изчислената част от пробата. Когато увеличението на напрежението, дължащо се на намаляване на напречното сечение, стане по-голямо от увеличението на напрежението, дължащо се на втвърдяване, равномерността на деформацията се нарушава и се образува шийка.

Вратът се развива от точката "навътре" до разрушаването в точката к(виж фиг. 2.45), в същото време силата, действаща върху пробата, намалява. Според максималното натоварване ( П c, фиг. 2.44, 2.45) върху изчислението на първичната диаграма на разтягане временна съпротива(често наричан издръжливост на опънили условна якост на опън)

σ в = Pb /F0 .

За материали, които се разрушават с образуването на шийка, σ in е условно напрежение, характеризиращо устойчивостта на максимална равномерна деформация.

Крайната якост на такива материали σ в не определя. Това се дължи на две причини. Първо, σ е много по-малко от истинското напрежение С in, действащ в пробата в момента на достигане на точката "in" . До този момент относителното удължение достига 10-30%, площта на напречното сечение на пробата Е V „F0.Ето защо

С V = П V /Ф V > σ в = П V / F0.

Но така наречената истинска якост на опън С c също не може да служи като характеристика на крайната якост, тъй като отвъд точката "c" в диаграмата на опън (виж фиг. 2.45), истинската устойчивост на деформация продължава да се увеличава, въпреки че силата намалява. Факт е, че това усилие на сайта в ксе концентрира върху минималния участък на пробата в шийката и неговата площ намалява по-бързо от силата.

Фигура 2. 50- Диаграма на истинските напрежения на опън

Ако изградим отново първичната диаграма на разтягане в координати С-еили С-Ψ (фиг. 2.50), се оказва, че Снараства непрекъснато с деформация до момента на разрушаване. Кривата на фиг. 2.50. дава възможност за строг анализ на свойствата на деформационно втвърдяване и якост на опън. Истинската диаграма на напреженията (вижте Фигура 2.50) за разрушаващи се материали има редица интересни свойства. По-специално, продължаването на праволинейния участък на диаграмата отвъд точката "c" до пресечната точка с оста на напрежението дава възможност да се оцени приблизително стойността на σ в и екстраполацията на праволинейния участък до точката ° Ссъответстващ на Ψ = 1 (100%) дава S c= 2С V.

Диаграмата на фиг. 2.50 е качествено различен от разгледаните по-рано криви на деформационно втвърдяване, тъй като при анализа на последните обсъдихме само етапа на равномерна деформация, при който се запазва схемата на едноосно напрежение, т.е. преди това бяха анализирани истински диаграми на напрежение, съответстващи на криви тип II.

На фиг. 2.50 показва това Св и още повече σ в много по-малко истинска устойчивост на разкъсване (Sk =Pk / Fk), определена като съотношението на силата в момента на повреда към максималната площ на напречното сечение на образеца в точката на повреда Fk. Изглежда, че величината ске най-добрата характеристика на крайната якост на материала. Но и това е условно. Изчисляване скпредполага, че в момента на счупване в шийката работи схема на едноосно напрежение, въпреки че всъщност там възниква състояние на обемно напрежение, което изобщо не може да се характеризира с едно нормално напрежение (поради което концентрираната деформация не се разглежда в теориите на деформационно закаляване при едноосно опън). Всъщност, скопределя само определено средно надлъжно напрежение в момента на разрушаване.

Смисълът и значението на временната съпротива, както и Св и S kсе променят значително при преход от разглежданата диаграма на разтягане (виж Фиг. 2.44, III) към първите две (вижте фиг. 2.44, I,II). При липса на пластична деформация (виж фиг. 2.44, аз) σ в ≈ Св ≈ ск. В този случай максималното натоварване преди повреда П c определя така наречената реална устойчивост на разкъсване или якост на чупливост на материала. Тук σ in вече не е условна, а характеристика, която има определен физически смисъл, определен от естеството на материала и условията на крехко разрушаване.

За материали с относително ниска пластичност, давайки кривата на разтягане, показана на фиг. 2.44 II, σ in е условното напрежение в момента на разрушаване. Тук С V = S kи доста строго характеризира крайната якост на материала, тъй като пробата е равномерно деформирана при условия на едноосно напрежение до разкъсване. Разликата в абсолютните стойности на σ в и С c зависи от удължението преди разрушаване, между тях няма пряка пропорционална зависимост.

По този начин, в зависимост от вида и дори количествените характеристики на диаграмите на опън от един тип, физическото значение на σ в, Св и скможе значително, а понякога и фундаментално да се промени. Всички тези напрежения често се наричат ​​характеристики на крайната якост или устойчивост на счупване, въпреки че в редица важни случаи σ в и Свсъщност определя устойчивостта на значителна пластична деформация, а не на разрушаване. Следователно, когато сравняваме σ в, Св и S kразлични метали и сплави, винаги трябва да се взема предвид специфичното значение на тези свойства за всеки материал, в зависимост от вида на неговата диаграма на опън.

Към днешна дата има няколко метода за тестване на проби от материали. В същото време едни от най-простите и най-разкриващите са тестовете за опън (опън), които позволяват определяне на границата на пропорционалност, границата на провлачване, модула на еластичност и други важни характеристики на материала. Тъй като най-важната характеристика на напрегнатото състояние на материала е деформацията, определянето на стойността на деформацията за известни размери на пробата и натоварванията, действащи върху пробата, позволява да се установят горните характеристики на материала.

Тук може да възникне въпросът: защо просто не определим съпротивлението на материала? Факт е, че абсолютно еластични материали, които се срутват само след преодоляване на определена граница - съпротивление, съществуват само на теория. В действителност повечето материали имат както еластични, така и пластични свойства, какви са тези свойства, ще разгледаме по-долу, използвайки примера на металите.

Изпитванията на опън на металите се извършват в съответствие с GOST 1497-84. За това се използват стандартни проби. Процедурата на изпитване изглежда така: върху пробата се прилага статично натоварване, определя се абсолютното удължение на пробата Δl, след това натоварването се увеличава с някаква стойност на стъпка и отново се определя абсолютното удължение на пробата и т.н. Въз основа на получените данни се начертава графика на удължението спрямо натоварването. Тази графика се нарича диаграма на напрежението.

Фигура 318.1. Диаграма на напрежението за стоманена проба.

В тази диаграма виждаме 5 характерни точки:

1. Граница на пропорционалност R p(точка А)

Нормалните напрежения в напречното сечение на пробата при достигане на границата на пропорционалност ще бъдат равни на:

σ p \u003d P p / F o (318.2.1)

Пропорционалната граница ограничава областта на еластичните деформации в диаграмата. В този раздел деформациите са правопропорционални на напреженията, което се изразява чрез закона на Хук:

P p \u003d kΔl (318.2.2)

където k е коефициентът на коравина:

k = EF/l (318.2.3)

където l е дължината на пробата, F е площта на напречното сечение, E е модулът на Юнг.

Модул на еластичност

Основните характеристики на еластичните свойства на материалите са модулът на Юнг Е (модул на еластичност от първи вид, модул на опън), модул на еластичност от втори вид G (модул на срязване) и коефициентът на Поасон μ (коефициент на напречна деформация).

Модулът на Юнг E показва отношението на нормалните напрежения към относителните деформации в рамките на пропорционалността

Модулът на Юнг също се определя емпирично при изпитване на стандартни образци за опън. Тъй като нормалните напрежения в материала са равни на силата, разделена на началната площ на напречното сечение:

σ \u003d P / F около (318.3.1), (317.2)

и относително удължение ε - отношението на абсолютната деформация към първоначалната дължина

ε pr \u003d Δl / l o (318.3.2)

тогава модулът на Йънг съгласно закона на Хук може да се изрази по следния начин

E \u003d σ / ε pr \u003d Pl o / F o Δl \u003d tg α (318.3.3)

Фигура 318.2. Диаграми на напрежението на някои метални сплави

Коефициентът на Поасон μ показва отношението на напречните деформации към надлъжните

Под въздействието на натоварвания не само дължината на пробата се увеличава, но и площта на разглежданото напречно сечение намалява (ако се приеме, че обемът на материала в областта на еластичните деформации остава постоянен, тогава увеличението на дължината на пробата води до намаляване на площта на напречното сечение). За образец с кръгло напречно сечение, промяната в площта на напречното сечение може да се изрази, както следва:

ε pop \u003d Δd / d o (318.3.4)

Тогава съотношението на Поасон може да се изрази чрез следното уравнение:

μ = ε pop /ε pr (318.3.5)

Модулът на срязване G показва коефициента на напрежение на срязване Tкъм ъгъла на срязване

Модулът на срязване G може да се определи емпирично при изпитване на образци за усукване.

При ъглови деформации разглежданият участък не се движи линейно, а под определен ъгъл - ъгълът на срязване γ спрямо началния участък. Тъй като напреженията на срязване са равни на силата, разделена на площта, в равнината на която действа силата:

T= P/F (318.3.6)

и тангенсът на ъгъла на наклона може да бъде изразен чрез коефициента на абсолютна деформация Δlдо разстоянието h от мястото на фиксиране на абсолютната деформация до точката, около която е извършено въртенето:

tgγ = ∆l/h (318.3.7)

тогава за малки стойности на ъгъла на срязване модулът на срязване може да бъде изразен чрез следното уравнение:

G= T/γ = Ph/FΔl (318.3.8)

Модулът на Юнг, модулът на срязване и коефициентът на Поасон са свързани със следната връзка:

E = 2(1 + μ)G (318.3.9)

Стойностите на константите E, G и µ са дадени в таблица 318.1

Таблица 318.1. Ориентировъчни стойности за еластичните свойства на някои материали

Забележка:Модулите на еластичност са постоянни стойности, но производствените технологии на различни строителни материали се променят и трябва да се определят по-точни стойности на модула на еластичност в съответствие с действащите нормативни документи. Модулите на еластичност на бетона зависят от класа на бетона и затова не са дадени тук.

Еластичните характеристики се определят за различни материали в границите на еластичните деформации, ограничени от точка А на диаграмата на напрежението.В същото време на диаграмата на напрежението могат да се разграничат още няколко точки:

2. Граница на еластичност Р y

Нормалните напрежения в напречното сечение на образеца при достигане на еластичната граница ще бъдат равни на:

σ y \u003d P y / F o (318.2.4)

Границата на еластичност ограничава площта, върху която възникващите пластични деформации са в рамките на определена малка стойност, нормализирана от техническите условия (например 0,001%; ​​​​0,01% и др.). Понякога границата на еластичност се посочва според толеранса σ 0,001, σ 0,01 и т.н.

3. Граница на провлачване P t

σ t \u003d P t / F o (318.2.5)

Ограничава участъка от диаграмата, в който деформацията се увеличава без значително увеличение на натоварването (състояние на провлачване). В този случай се получава частично разкъсване на вътрешните връзки в целия обем на пробата, което води до значителни пластични деформации. Материалът на пробата не е напълно разрушен, но неговите първоначални геометрични размери претърпяват необратими промени. Върху полираната повърхност на образците се наблюдават фигури на потока - линии на срязване (открити от проф. В. Д. Чернов). За различните метали ъглите на наклона на тези линии са различни, но са в диапазона 40-50 o. В този случай част от натрупаната потенциална енергия се изразходва необратимо за частично разкъсване на вътрешните връзки. При изпитването на опън е обичайно да се прави разлика между горна и долна граница на провлачване - съответно най-голямото и най-малкото от напреженията, при които пластичната (остатъчна) деформация се увеличава при почти постоянна стойност на действащото натоварване.

Диаграмите на напрежението показват долната граница на провлачване. Именно тази граница за повечето материали се приема като нормативна устойчивост на материала.

Някои материали нямат ясно изразена граница на провлачване. За тях условното напрежение на провлачване σ 0,2 се приема като напрежение, при което остатъчното удължение на пробата достига стойност ε ≈ 0,2%.

4. Якост на опън P max (якост на опън)

Нормалните напрежения в напречното сечение на пробата при достигане на якостта на опън ще бъдат равни на:

σ в \u003d P max / F o (318.2.6)

След преодоляване на горната граница на провлачване (не е показана на диаграмите на напреженията), материалът отново започва да издържа на натоварвания. При максимална сила P max започва пълното разрушаване на вътрешните връзки на материала. В този случай пластичните деформации се концентрират на едно място, образувайки така наречената шия в пробата.

Напрежението при максимално натоварване се нарича якост на опън или якост на опън на материала.

Таблици 318.2 - 318.5 показват приблизителните стойности на якостта на опън за някои материали:

Таблица 318.2Приблизителни граници на якост на натиск (якост на опън) на някои строителни материали.

Забележка: За метали и сплави стойността на якостта на опън трябва да се определя в съответствие с нормативните документи. Може да се види стойността на временното съпротивление за някои марки стомана.

Таблица 318.3. Приблизителна якост на опън (якост на опън) за някои пластмаси

Таблица 318.4. Приблизителна якост на опън за някои влакна

Таблица 318.5. Приблизителна якост на опън за някои дървесни видове

5. Унищожаване на материал Р р

Ако погледнете диаграмата на напрежението, изглежда, че разрушаването на материала се случва, когато натоварването намалява. Това впечатление се създава, защото в резултат на образуването на "шията" площта на напречното сечение на пробата в областта на "шията" се променя значително. Ако изградим диаграма на напрежението за образец от мека стомана в зависимост от променящата се площ на напречното сечение, ще се види, че напреженията в разглеждания участък нарастват до определена граница:

Фигура 318.3. Диаграма на напрежението: 2 - спрямо началната площ на напречното сечение, 1 - спрямо променящата се площ на напречното сечение в областта на шийката.

Въпреки това е по-правилно да се вземат предвид якостните характеристики на материала по отношение на площта на първоначалния участък, тъй като промените в първоначалната геометрична форма рядко се предвиждат при изчисленията на якостта.

Една от механичните характеристики на металите е относителната промяна ψ на площта на напречното сечение в областта на шийката, изразена като процент:

ψ = 100(F o - F)/F o (318.2.7)

където F o - началната площ на напречното сечение на пробата (площ на напречното сечение преди деформация), F - площ на напречното сечение в "шията". Колкото по-голяма е стойността на ψ, толкова по-изразени са пластичните свойства на материала. Колкото по-малка е стойността на ψ, толкова по-голяма е крехкостта на материала.

Ако съберем счупените части на пробата и измерим нейното удължение, се оказва, че то е по-малко от удължението в диаграмата (по дължината на сегмента NL), тъй като след разкъсване еластичните деформации изчезват и остават само пластични деформации . Размерът на пластичната деформация (удължението) също е важна характеристика на механичните свойства на материала.

Отвъд границите на еластичност, до счупване, общата деформация се състои от еластични и пластични компоненти. Ако материалът се доведе до напрежения, надвишаващи границата на провлачване (на фиг. 318.1 има някаква точка между границата на провлачване и якостта на опън), и след това се разтовари, тогава пластичните деформации ще останат в пробата, но при повторно натоварване след известно време, границата на еластичност ще стане по-висока, тъй като в този случай промяната в геометричната форма на пробата в резултат на пластична деформация става, така да се каже, резултат от действието на вътрешните връзки, а променената геометрична форма става първоначалната един. Този процес на товарене и разтоварване на материала може да се повтори няколко пъти, докато якостните свойства на материала ще се увеличат:

Фигура 318.4. Диаграма на напрежението при втвърдяване (косите прави линии съответстват на разтоварване и повторно натоварване)

Такава промяна в якостните свойства на материала, получена при многократно статично натоварване, се нарича работно втвърдяване. Въпреки това, тъй като якостта на метала се увеличава чрез закаляване, неговите пластични свойства намаляват и неговата крехкост се увеличава, следователно, като правило, относително малко закаляване се счита за полезно.

Работа на деформация

Якостта на материала е толкова по-висока, колкото по-големи са вътрешните сили на взаимодействие на частиците на материала. Следователно стойността на съпротивлението на удължение на единица обем на материала може да служи като характеристика на неговата якост. В този случай якостта на опън не е изчерпателна характеристика на якостните свойства на даден материал, тъй като характеризира само напречните сечения. При разкъсване се разрушават връзките по цялата площ на напречното сечение, а по време на срязване, което се случва с пластична деформация, се разрушават само локални връзки. За разрушаването на тези връзки се изразходва определена работа на вътрешните сили на взаимодействие, която е равна на работата на външните сили, изразходвани за изместване:

A \u003d РΔl / 2 (318.4.1)

където 1/2 е резултатът от статичното действие на товара, нарастващ от 0 до P в момента на прилагането му (средна стойност (0 + P) / 2)

При еластична деформация работата на силите се определя от площта на триъгълника OAB (виж фиг. 318.1). Общата работа, изразходвана за деформация на пробата и нейното разрушаване:

A = ηP max Δl max (318.4.2)

където η е коефициентът на пълнота на диаграмата, равен на съотношението на площта на цялата диаграма, ограничена от кривата AM и прави OA, MN и ON, към площта на \u200b\ u200b правоъгълника със страни 0Р max (по оста P) и Δl max (пунктирана линия на фиг. 318.1). В този случай е необходимо да се извади работата, определена от площта на триъгълника MNL (свързана с еластичните деформации).

Работата, изразходвана за пластична деформация и разрушаване на пробата, е една от важните характеристики на материала, която определя степента на неговата крехкост.

Компресионна деформация

Деформациите на натиск са подобни на деформациите на опън: първо възникват еластични деформации, към които се добавят пластични отвъд еластичната граница. Естеството на деформацията и счупването при натиск е показано на фиг. 318.5:

Фигура 318.5

а - за пластмасови материали; б - за крехки материали; c - за дърво по влакната, d - за дърво напречно на влакната.

Тестовете за компресия са по-малко удобни за определяне на механичните свойства на пластмасовите материали поради трудността при фиксиране на момента на повреда. Методите за механично изпитване на метали се регулират от GOST 25.503-97. При тестване за компресия формата на пробата и нейните размери могат да бъдат различни. Индикативните стойности на якостта на опън за различни материали са дадени в таблици 318.2 - 318.5.

Ако материалът е под натоварване при постоянно напрежение, тогава към почти моменталната еластична деформация постепенно се добавя допълнителна еластична деформация. Когато натоварването е напълно премахнато, еластичната деформация намалява пропорционално на намаляващите напрежения, а допълнителната еластична деформация изчезва по-бавно.

Получената допълнителна еластична деформация при постоянно напрежение, която не изчезва веднага след разтоварването, се нарича еластично последействие.

Влиянието на температурата върху промяната на механичните свойства на материалите

Твърдото състояние не е единственото агрегатно състояние на материята. Твърдите вещества съществуват само в определен диапазон от температури и налягания. Повишаването на температурата води до фазов преход от твърдо към течно състояние, а самият процес на преход се нарича топене. Точките на топене, подобно на други физически характеристики на материалите, зависят от много фактори и също се определят емпирично.

Таблица 318.6. Точки на топене на някои вещества

Забележка: Таблицата показва точките на топене при атмосферно налягане (с изключение на хелия).

Характеристиките на еластичността и якостта на материалите, дадени в таблици 318.1-318.5, обикновено се определят при температура от +20 ° C. GOST 25.503-97 позволява изпитване на метални проби в температурния диапазон от +10 до +35 ° C.

При промяна на температурата потенциалната енергия на тялото се променя, което означава, че стойността на вътрешните сили на взаимодействие също се променя. Следователно механичните свойства на материалите зависят не само от абсолютната стойност на температурата, но и от продължителността на нейното действие. За повечето материали при нагряване якостните характеристики (σ p, σ t и σ c) намаляват, докато пластичността на материала се увеличава. С понижаване на температурата якостните характеристики се увеличават, но крехкостта се увеличава. При нагряване модулът на Юнг Е намалява, а коефициентът на Поасон се увеличава. При понижаване на температурата протича обратният процес.

Фигура 318.6. Ефектът на температурата върху механичните характеристики на въглеродната стомана.

Когато цветните метали и техните сплави се нагряват, тяхната якост веднага пада и при температура, близка до 600 ° C, тя практически се губи. Изключение прави алуминотермичният хром, чиято якост на опън се увеличава с повишаване на температурата и при температура, равна на 1100 ° C, достига максимум σ в 1100 \u003d 2σ в 20.

Характеристиките на пластичност на медта, медните сплави и магнезия намаляват с повишаване на температурата, докато тези на алуминия се увеличават. При нагряване на пластмасите и гумата тяхната якост на опън рязко намалява, а при охлаждане тези материали стават много крехки.

Влияние на радиоактивното облъчване върху изменението на механичните свойства

Излагането на радиация засяга различните материали по различен начин. Облъчването на материали от неорганичен произход по отношение на ефекта си върху механичните характеристики и характеристиките на пластичността е подобно на понижаване на температурата: с увеличаване на дозата на радиоактивно облъчване, якостта на опън и особено границата на провлачване се увеличават, а характеристиките на пластичност намаляват.

Облъчването на пластмасите също води до увеличаване на крехкостта, а облъчването има различен ефект върху якостта на опън на тези материали: няма почти никакъв ефект върху някои пластмаси (полиетилен), при други причинява значително намаляване на якостта на опън (катамен) , а при други повишава якостта на опън (електрон ).