ПЛАСТИЧНІСТЬ– властивість твердих тіл змінювати форму та розміри під впливом зовнішніх навантажень та зберігати її, коли навантаження перестають діяти (після зняття навантажень).
Перше уявлення про властивість матеріалу, що називається пластичністю, дає грудку пластиліну, який під тиском пальців легко змінює форму, і зберігає нову формупісля дії на нього (на відміну від розтягнутої пружинки, яка знову стиснеться, якщо її відпустити. У цьому сенсі кажуть, що пружинка пружка, а пластилін пластичний. Пластилін і пластичність – слова одного кореня, від грецького слова пластика, що означає ліплення, від дієслова "ліпити з глини).
Щоб отримати більш точне уявлення про властивість пластичності, можна зробити (або уявити) простий досвід. Нехай є витягнутий паралелепіпед (стрижень) із пластиліну, довге ребро якого становить приблизно 10 см, а мала грань є квадратом 1 см × 1 см. Нехай цей стрижень спирається кінцями на дві опори («місток»). Якщо на середину стрижня класти металеві грузики (наприклад, монети), поки навантаження невелика, зміна форми стрижня на око непомітно. При подальшому навантаженні виявляється, що певний момент стрижень прогинається і стає криволінійним. Якщо усунути всі грузики, криволінійна форма все одно збережеться.
Цей досвід показує, що стрижень з матеріалу, що має властивість пластичності, чинить опір дії навантажень, майже не змінюючи свою форму, доти, поки навантаження не перевищить деякий поріг, після чого відбувається помітна зміна форми, що зберігається і після зняття навантаження. У цьому вся суть пластичності, але з вся – зміна форми (деформування) залежить від прикладеного навантаження і змінюється саме собою з часом. Якщо деформування при постійному навантаженні все ж таки відбувається, то матеріал називають не пластичним, а в'язкопластичним або в'язкопружним ( см. РЕОЛОГІЯ; ПОЛУЧНІСТЬ). Звичайно, пластилін – це знайомий та наочний приклад пластичного матеріалу. Важливо те, що властивість пластичності властива багатьом конструкційним матеріалам. Насамперед це – метали та сплави – сталь, залізо, мідь, алюміній та інші, але уявлення про пластичне деформування виявляється дуже корисним і для розуміння процесів деформування композиційних матеріалів, у тому числі металокерамічних, вуглецевих та полімерних.
Пластичність матеріалу хіба що протиставлена пружності: пластичне тіло зберігає надану йому форму, а пружне – відновлює початкову. Але пластичність протиставляється ще й крихкості: пластичне тіло відповідає на збільшення навантаження помітною зміною форми, а тендітне (наприклад, скло) – появою тріщин та руйнуванням.
Вивчення пластичності розвивається у двох напрямах: одне їх пов'язано, насамперед, з проблемами техніки і його – відповідь питанням: якщо конструкція піддається впливу зовнішніх сил відомої величини, яке у своїй змінюється форма – тобто. як він деформується? Це важливо знати конструктору, але є ще одна важлива обставина: зазвичай пластичність передує руйнуванню, так що вивчення пластичних деформацій є основою прогнозу міцності та довговічності конструкції.
Другий напрямок вивчення пластичності - це дослідження того, що відбувається в матеріалі, як кажуть, на мікрорівні, тобто, що відбувається всередині матеріалу, наприклад, при пластичному згині балки. Можна, за аналогією з досвідом на згинання стрижня, зробити досвід на його розтяг: верхній кінець стрижня (його зазвичай називають зразком) закріплюють, а до нижнього прикладають навантаження. У цьому випадку помітити на око зміну довжини зразка важко, але якщо вимірювати деформації спеціальними приладами, то виявляється, що процес деформування виявляється схожим на той, що і в досвіді з вигином: при поступовому зростанні навантаження, що розтягує, спочатку проявляються дуже малі пружні деформації, коли ж навантаження досягає порогового значення, то деформації (тепер уже, в основному, пластичні) стають, по-перше, суттєвішими, а, по-друге, незворотними (тобто не зникають після зняття навантаження).
У цьому виявляються цікаві явища. Якщо в досвіді на розтяг використання сталевий зразок у вигляді довгої пластинки з полірованою (дзеркальною) поверхнею, то в процесі пластичного деформування на цій поверхні з'являється багато близьких тонких паралельних прямих ліній, орієнтованих під кутом 45 ° до осі зразка (вісь зразка - тут пряма лінія , що проходить посередині пластинки, паралельно її довгим сторонам). Ці лінії називаються лініями Людерса – Чернова (на прізвища вчених, що їх відкрили).
Мікроскопічний аналіз цих ліній показує, що вони виникають у результаті те, що у матеріалі платівки відбувається зрушення, тобто. один тонкий шархіба що зсувається щодо другого, другий – щодо третього тощо., як карти у колоді. Можна сказати, що лінії Людерса - Чернова і є межі шарів, що зрушуються. На рис.1 схематично зображено картину такого деформування. Ця схема дозволяє зрозуміти, як такі зрушення призводять до пластичного подовження зразка і чому після зняття навантаження пластичні деформації не зникають. Більш складні та точні досліди показали, що пластичні деформації металів та сплавів завжди викликаються зсувами всередині матеріалу. Крім того, в пористих матеріалах відбуваються деформації, за зовнішніми проявами дуже подібні до пластичних, але пов'язані зі зменшенням пор. Найбільш знайомим пористим матеріалом є пінопласт; в техніці пористі матеріали створює порошкова металургія, де пресуються деталі з металевого порошку.
Можна досить точно описати картину деформування, вважаючи, що пружні деформації тіла – результат зміни відстані між атомами, у тому числі воно складається, а пластичні деформації – результат зрушень.
Отже, пластичність – результат зрушень. А як відбуваються самі зрушення? На це питання (і на багато інших) відповідають розділи фізики: фізика твердого тіла, теорія дислокацій, фізика металів тощо.
Такі два напрями, якими досліджується пластичності, перше називається феноменологическим – воно вивчає феномен пластичності оскільки його можна спостерігати у дослідах із зразками і навантаженнями, і спирається на результати мікроскопічних дослідів. Феноменологічне вивчення пластичності металів починається з класичного досвіду розтягування. Його результати подаються у вигляді графіків (рис. 2), де по вертикальній осі відкладається напруга s, що дорівнює розтягуючій силі P, віднесеної до площі перерізу зразка F, тобто.
s = P/F
а по горизонталі – деформація зразка e, що дорівнює подовженню d lзразка (під дією сили P), віднесеному до його початкової довжини l.
e = d l/l
На рис. 2 зображено графік, який називається «кривою розтягування»; матеріал – одна із марок сталі. На початку навантаження (на графіку від точки Oдо точки A) напруга та деформація виявляються пропорційними, тобто. має місце закон Гука. Коефіцієнт пропорційності називається модулем пружності (або модулем Юнга) E. Крапка Aна графіці називається межею пружності – після неї пропорційність, властива пружності, змінюється криволінійною залежністю, причому тепер деформація зростає значно швидше, ніж напруга. Якщо в деякій точці Bми почнемо зменшувати напругу (це називається розвантаженням), то на графіку вийде крива, що мало відрізняється від прямої – BCзі стрілкою вниз. Якщо, довівши напругу до нуля, знову її збільшувати, на графіку вийде крива CB 1 (зі стрілкою вгору), причому далі ця крива плавно перейде в криву B 1D, яка б вийшла при деформуванні зразка без розвантаження. Для простоти зазвичай обидві криві, BCі CB 1, замінюють відрізком прямої B 2C, який паралельний відрізку OA.
Є кілька варіантів теорії пластичності, які відрізняються, з одного боку, тим, наскільки точно вони враховують реальні особливості процесу деформування пружно-пластичного матеріалу, і, з іншого боку, математичним апаратом, що використовується. Одні теорії є менш точними, але більш простими та зручними для розрахунків, що дуже важливо, оскільки розрахунок пластичних деформацій у тілах складної форми є дуже важким завданням навіть при використанні сучасних комп'ютерів. Інші теорії могли б забезпечити високу точністьАле призводять до дуже великих труднощів, як математичних, так і експериментальних. Очевидно, створення «ідеальної» теорії, що поєднує фізичну наочність, математичну простоту і водночас забезпечує адекватне опис процесів пластичного деформування, є справою майбутнього. Але навіть «прості» теорії пластичності насправді досить складні, оскільки вимагають знання та розуміння багатьох експериментальних результатів та серйозної математичної підготовки. Як приклад можна розглянути ідею найпростішої теорії пластичності.
В самому простому випадкудосвіду на розтяг зразка процес пружного деформування описується законом Гука
За межею пружності пропорційності немає, але експериментальну криву розтягування можна описати, якщо вважати, що модуль пружності Eу своїй перестає бути постійної величиною і стає функцією деформації, тобто.
У цих формулах з'являється нова функція w = w(e), яка називається функцією пластичності і має бути знайдена з експериментальних даних.
Видно, що функція w(e) тотожно дорівнює нулю при пружних деформаціях і зростає при пластичних. Тоді ясно, що і пружні, і пластичні деформації описуються рівнянням, що узагальнює закон Гука.
s = E e
Це рівняння описує криву деформування, з якої воно, по суті, і отримане і так, поки йдеться лише про досвід на розтяг. Але теорія пластичності повинна «вміти» описувати будь-які процеси деформування - наприклад, і кручення, і вигин, і їх спільний прояв, а для цього формулу необхідно суттєво узагальнити і сформулювати аналогічні по суті, але набагато складніші співвідношення, які пов'язували б шість компонент тензора деформацій із шістьма компонентами тензора напруг. Тут і починаються складнощі.
Класична деформаційна теорія називається «теорією малих пружнопластичних деформацій». Ця теорія заснована на трьох експериментальних фактах:
1. При різних пружнопластичних деформаціях у кожній точці тіла існує універсальна функціональна залежність між середньоквадратичним значенням зсувних деформацій та аналогічним середньоквадратичним значенням зсувних напруг.
2. При пружнопластичному деформуванні матеріалу зміна обсягу завжди відбувається пружно.
3. Перші два твердження справедливі лише за умови, що всі зовнішні сили, що діють на тіло, зростають пропорційно одна одній (точніше – пропорційно одному параметру, наприклад, часу). Це так зване просте або пропорційне навантаження.
Щоб правильно зрозуміти ці три твердження, потрібно взяти до уваги таке:
Теорія пластичності, як і всі емпіричні теорії, по суті є теорією наближеною. Це означає, що за відомих умов, коли вона може описувати фізичну реальність («умови застосування»), емпірична теорія цю реальність описує відносно невеликою, але завжди присутньою похибкою (простіше кажучи, з невеликою помилкою).
Теорія пластичності, про яку йде мова, може відповісти з похибкою, близькою до 10%. І майже завжди така похибка виявляється цілком прийнятною – кажуть, що теорія добре працює.
Математичне формулювання теорії: нехай є тензор деформації e ijта тензор напруг s ij. Потрібно написати формули (співвідношення), які пов'язують ці тензор при малих пружнопластичних деформаціях, подібно до того, як закон Гука пов'язує їх при пружних деформаціях.
Враховуючи різні закономірності об'ємного та зсувного деформування, можна розділити тензори на об'ємну (кульову) та зсувну (девіаторну) частини:
e ij= 1/3 Q d ij+ e ij
Наступний крок – встановлення зв'язку зсувної напруги з деформаціями, оскільки пластичність – це зрушення.
Для девіатора деформацій середньоквадратичне зрушення у цій точці визначається формулою
Аналогічно, середньоквадратична зсувна напруга визначається:
Це і є універсальна функціональна залежність між , а універсальна вона в тому сенсі, що має місце в будь-якій точці тіла і при будь-якому вигляді деформацій (вигин, кручення, їх комбінація і т.д.). Функція вважається відомою, а фактично має бути знайдена з обробки результатів експерименту. Так як через універсальність вона однакова завжди, зокрема, в будь-якому досвіді, то зручно використовувати досвід на кручення трубки, з якого ця функція визначається особливо легко.
В межах пружності і залежність між
Експерименти показали, що пластичності рівняння Генки - Ільюшина, що лежать в основі моделі, досить добре описують процес монотонного навантаження. При такому процесі на всіх етапах навантаження (зовнішніми силами, температурами тощо) інтенсивність напруг весь час зростає.
Монотонне навантаження зазвичай реалізується при простому навантаженні, коли всі зовнішні силові фактори змінюються пропорційно одному зростаючому параметру. При простому навантаженні співвідношення між зовнішніми навантаженнями у процесі навантаження залишається незмінним. Якщо настає процес розвантаження, коли у всіх точках тіла інтенсивність напруг зменшується (наприклад, при знятті зовнішніх зусиль), то збільшення (зменшення) напруг і деформацій на етапі розвантаження визначається на основі рівнянь пружності (закон розвантаження; див. рис. 5.15). Основні обмеження моделі пластичності, що розглядається, пов'язані з тим, що рівняння пластичності відносяться до кінцевої точки процесу і тому не враховують історію навантаження.
Якщо з фізичних співвідношень ясно, що має місце монотонне навантаження, то зазначений недолік є несуттєвим.
В рамках застосовуваної моделі пластичності можна врахувати дійсну історію навантаження, якщо розглядати навантаження як сукупність декількох етапів. Якщо якомусь проміжному етапі відбувається розвантаження, то розрахунок ведуть з допомогою рівнянь пружності.
Мал. 5.15. Процес розвантаження при пружнопластичному деформуванні
Інші моделі пластичності.
Більш досконалою, але й значно складнішою є модель пластичності, заснована на теорії пластичного перебігу Сен-Венана, Мізесат Прандтля та Рейсу. Відповідно до цієї теорії розглядаються окремо збільшення деформацій пружності та пластичності:
Приріст пластичної деформації приймається пропорційним складником девіатора напруг:
де - Збільшення інтенсивності напруг. Функція визначається виходячи з експериментальних даних при розтягуванні зразків.
Виклад теорії пластичного течії та інших моделей пластичності можна знайти у спеціальній літературі.
Реферат
з дисципліни:
"Технологія конструкційних матеріалів"
"Фізичні основи пластичності та міцності металів"
Виконав студент
Перевірив викладач
Вступ
Основними механічними властивостями є міцність, пластичність, пружність, в'язкість, твердість.
Знаючи механічні властивості, конструктор при проектуванні обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність машин та конструкцій за їх мінімальної маси.
Пластичність і міцність відносяться до найважливішим властивостямтвердих тел.
Обидві ці властивості, взаємно пов'язані один з одним, визначають собою здатність твердих тіл протистояти незворотній формозміні і макроскопічному руйнуванню, тобто поділу тіла на частини в результаті зовнішніх або внутрішніх силових полів мікроскопічних тріщин, що виникають в ньому під впливом.
Для технолога дуже важливе значення має пластичність, що визначає можливість виготовлення виробів у різний спосіб обробки тиском, заснованими на пластичному деформуванні металу.
Матеріали з підвищеною пластичністю менш чутливі до концентраторів напруг та інших факторів крихкості.
За показниками міцності, пластичності і т. д. виробляють порівняльну оцінку різних металівта сплавів, а також контроль їх якості при виготовленні виробів.
У фізиці та техніці пластичність – здатність матеріалу отримувати залишкові деформації без руйнування та зберігати їх після зняття навантаження.
Властивість пластичності має вирішальне значення для таких технологічних операцій, як штампування, витяжка, волочіння, гнучка та ін.
Міцність твердих тіл, у широкому значенні - властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню (поділу на частини), а також незворотній зміні форми (пластичної деформації) під дією зовнішніх навантажень. У вузькому значенні - опір руйнації.
Мета справжньої роботи – вивчити фізичні основи пластичності та міцності металів.
1. Фізичні основи міцності металів
Міцність є фундаментальною властивістю твердих тіл. Вона визначає здатність тіла протистояти без руйнування дії зовнішніх сил. Зрештою, як відомо, міцність визначається величиною та характером міжатомного зв'язку, структурною та атомно-молекулярною рухливістю частинок, що становлять тверде тіло. Механізм цього явища залишається невирішеним і нині. Залишається нез'ясованим питання про природу міцності, про сутність процесів, які у матеріалі, що під навантаженням. У питаннях міцності не тільки немає закінченої фізичної теорії, але навіть за основними уявленнями існують розбіжності у поглядах і протилежні думки.
Кінцевою метоювивчення механізму руйнування має бути з'ясування основних принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, покращення існуючих матеріалів та раціоналізація способів їх обробки.
Міцністю називають властивість твердих тіл, що чинить опір руйнуванню, а також незворотними змінами форми. Основним показником міцності є тимчасовий опір, що визначається при розриві циліндричного зразка, попередньо підданого відпалу. За міцністю метали можна поділити на такі групи:
неміцні (тимчасовий опір вбирається у 50 МПа) - олово, свинець, вісмут, і навіть м'які лужні метали;
міцні (від 50 до 500 МПа) – магній, алюміній, мідь, залізо, титан та інші метали, що становлять основу найважливіших конструкційних сплавів;
високоміцні (понад 500 МПа) - молібден, вольфрам, ніобій та ін.
До ртуті поняття міцності не застосовується, оскільки це рідина.
Тимчасовий опір металів зазначено у таблиці 1.
Таблиця 1.
Міцність металів
Більшість технічних характеристикміцності визначають у результаті статичного випробуванняна розтяг. Зразок, закріплений у захватах розривної машини, деформується при статичному, плавно зростаючому навантаженні. При випробуванні, зазвичай, автоматично записується діаграма розтягування, що виражає залежність між навантаженням і деформацією. Невеликі деформації з точністю визначаються тензометрами.
Щоб виключити вплив розмірів зразків, випробування на розтяг проводять на стандартних зразках з певним співвідношенням між розрахунковою довжиною l 0 і площею поперечного перерізу F 0 .
Найбільш широко застосовують зразки круглого перерізу: довгі з l0/d0 = 10 або короткі з l0/d0 = 5 (де d0 - вихідний діаметр зразка).
На рис. 1 а наведена діаграма розтягування маловуглецевої відпаленої сталі. При навантаженні, що відповідає початковій частині діаграми, матеріал відчуває лише пружну деформацію, яка повністю зникає після зняття навантаження.
До точки а ця деформація пропорційна навантаженню чи діючій напрузі
де Р - прикладене навантаження; F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка.
Навантаженню в точці а, що визначає кінець прямолінійної ділянки діаграми розтягування, відповідає межа пропорційності.
Теоретична межа пропорційності- максимальна напруга, до якої зберігається лінійна залежність між напругою (навантаженням) та деформацією
σ пц = Р пц / F0.
Так як при визначенні положення точка на діаграмі можуть бути похибки, зазвичай користуються умовною межею пропорційності, під яким розуміють напругу, що викликає певну величину відхилення від лінійної залежності, наприклад альфа tg змінюється на 50% від свого первісного значення.
Прямолінійну залежність між напругою та деформацією можна висловити законом Гука:
σ = Е епсілон,
де епсілон = (дельта l/l про) 100% - відносна деформація;
дельта l – абсолютне подовження, мм;
l 0 - Початкова довжина зразка, мм.
Рис.1 Діаграма розтягування маловуглецевої сталі (а) та схема визначення умовної межі плинності σ0,2 (б)
Коефіцієнт пропорційності Е (графічно рівний tg aльфа), що характеризує пружні властивості матеріалу, називається модулем нормальної пружності.
При заданій величині напруги із збільшенням модуля зменшується величина пружної деформації, тобто зростає жорсткість (стійкість) конструкції (виробу). Тому модуль Е також називають модулем жорсткості.
Величина модуля залежить від природи сплаву і змінюється трохи за зміни його складу, структури, термічної обробки.
Наприклад, для різних вуглецевих та легованих сталей після будь-якої обробки Е = 21000 кгс/мм 2 .
Теоретична межа пружності- максимальна напруга, до якої зразок отримує лише пружну деформацію:
σ уп = Р уп / F0.
Якщо діюча напруга деталі (конструкції) менше σ уп, то матеріал працюватиме в області пружних деформацій.
Зважаючи на труднощі визначення σ уп практично користуються умовною межею пружності, Під яким розуміють напругу, що викликає залишкову деформацію 0,005-0,05% початкової розрахункової довжини зразка. У позначенні умовної межі пружності вказують величину залишкової деформації, наприклад 0,005 і т. д.
Більшість матеріалів теоретичні межі пружності і пропорційності близькі за величиною. Для деяких матеріалів, наприклад міді, межа пружності більша за межу пропорційності.
Межа плинності- фізичний та умовний-характеризує опір матеріалу невеликим пластичним деформаціям.
Фізична межа плинності- напруга, за якої відбувається збільшення деформації при постійному навантаженні
т = P Т / F 0 .
На діаграмі розтягування межі плинності відповідає горизонтальна ділянка з - d, коли спостерігається пластична деформація (подовження) - «перебіг» металу при постійному навантаженні.
Більшість технічних металів і сплавів немає майданчика плинності. Для них найчастіше визначають умовна межа плинності- напруга, що викликає залишкову деформацію, що дорівнює 0,2% від початкової розрахункової довжини зразка (рис. 1, б):
σ0,2 =Р 0,2 / F 0
При подальшому навантаженні пластична деформація дедалі більше збільшується, рівномірно розподіляючись у всьому обсязі зразка.
У точці, де навантаження досягає максимального значення, в найбільш слабкому місці зразка починається утворення «шийки» - звуження поперечного перерізу; деформація зосереджується однією ділянці - з рівномірної перетворюється на місцеву.
Напруга в матеріалі в цей момент випробування називають межею міцності.
Межа міцності(тимчасовий опір розриву) - напруга, що відповідає максимальному навантаженню, яке витримує зразок до руйнування:
σ = P в /F 0 .
За своєю фізичною сутністю σ в характеризує міцність як опір значної рівномірної пластичної деформації.
За точкою (див. рис. 1, а) у зв'язку з розвитком шийки навантаження зменшується, в точці k при навантаженні P k відбувається руйнування зразка.
Справжній опір руйнуванню- максимальна напруга, яка витримує матеріал у момент, що передує руйнуванню зразка
S K = P до /F K ,
де F K - кінцева площа поперечного перерізу зразка у місці руйнування.
Незважаючи на те, що навантаження Р до<Р в, вследствие образования шейки F K
Справжня напруга. Розглянуті показники міцності: σ т, σ і ін., за винятком S k є умовними напругами, так як при їх визначенні відповідні навантаження відносять до початкової площі перерізу зразка F 0 , хоча остання поступово зменшується в міру деформації зразка. Точніше уявлення про напруги у зразку дають діаграми дійсних напруг (рис. 2). Рис.2 Діаграма істинних (S) і умовних (σ) напруг: - поперечне звуження зразка. Справжні напруги S i = P i /F i визначають навантаження P i і площі поперечного перерізу F i в даний момент випробування. Приблизно до точки b (рис. 2,) тобто точки на рис. 72 а, відмінність між істинними і умовними напругами невелика і S B = σ в. Потім істинна напруга збільшується, досягаючи максимального значення S k в момент, що передує руйнуванню. При випробуванні на розтягнення, крім міцності характеристик, визначають також характеристики пластичності. 2.
Фізичні основи пластичності металів Розвиток вчення про механічні властивості твердих тіл, як відомо, йшов від механіки абсолютно твердого тіла, в якій деформації зовсім не враховуються, через теорію пружності, що є першим наближенням і придатну у випадках малих і оборотних деформацій, до теорії малих пружно- пластичних деформацій. Теорія взаємодії атомів кристалічних ґрат, розроблена понад 40 років тому, перебувала в різкій суперечності з експериментальними даними щодо міцності кристалів. З цього положення було запропоновано два виходи. Обидва вони засновані на тому, що у реальному кристалі, як і взагалі у твердих матеріалах, є неоднорідності та недосконалості. Саме внаслідок недосконалості будови реальних тіл виникає передчасна пластичність. Далі думки різних дослідників розходилися. Одні вважали, що реальний кристал складається зі шматочків ідеального кристала, між якими є слабкі місця. Пластичний перебіг відбувається лише за слабкими місцями. Інші вважали, що слабкі місця, якщо і грають роль пластичності, то лише як джерела перенапруги. Інакше кажучи, для пластичного перебігу необхідні великі місцеві перенапруги, як це, наприклад, було показано в дослідах з управління утворенням пластичних зрушень. Безперечно, що вивчення будови реального кристала та різноманітних дефектів, які можуть у ньому існувати, є важливим за своїм значенням завданням. Однак спірним є положення про те, чи необхідно засновувати теорію пластичності на обліку цих явищ або можна розробити теорію пластичної деформації ідеально правильної кристалічної решітки з подальшим розглядом ролі різних дефектів. Ряд авторів воліє виходити з припущення про наявність у кристалічній решітці закономірно розподілених вад, що мають особливі властивості. Передбачається, що пластичний перебіг кристалів являє собою рух цих вад (дислокацій) в кристалічній решітці. Останні експериментальні дані певною мірою підтверджують дислокаційні уявлення. Однак досі залишається недостатньо з'ясованим докорінним питанням про виникнення дислокацій у процесі пластичної деформації. Тому необхідно приділити особливу увагу експериментальній перевірці теорії дислокацій. Можливо, що така перевірка та відповідне уточнення теорії сприятимуть зближенню різних точок зору. Різноманітні матеріали, що піддаються дії зовнішніх механічних сил, на початкових стадіях навантаження змінюють свої розміри і форму оборотно. Деформації, які спостерігаються при цьому, називаються пружними. Вивчення пружних властивостей твердих тіл є важливим у зв'язку з тим, що пружні постійні є мірою міжчасткових сил у твердих тілах. Явлення формозміни твердих тіл під впливом зовнішніх сил складні. Кінцеві зміни, що відбуваються в твердих тілах під впливом зовнішніх сил, визначаються сукупністю ряду процесів, кожен з яких сам по собі ще повною мірою незрозумілий через відсутність задовільних і повних уявлень про природу сил зв'язку в твердих тілах, про їх будову, характер теплового руху і т. д., іншими словами, через відсутність вичерпної теорії кристалічного стану. Однак безсумнівно, що основні та загальні явища, що відбуваються у твердих тілах під дією зовнішніх сил, полягають в атомних та молекулярних зміщеннях. Відомо, що явища, що відбуваються при формозміні твердих тіл під дією зовнішніх сил, сильно залежать від структури і тісно пов'язані з процесами дифузії, релаксації, рекристалізації, з фазовими перетвореннями і дуже сильно залежать від температури. В силу цього проблема пружного і пластичного формозмін твердих тіл - проблема пластичності, по суті, є частиною більш загальної проблеми - проблеми рухливості атомів і молекул у твердих тілах, що включає: пружність, недосконалу пружність, пластичність, повзучість, двійникування, фазові перетворення , дифузію, релаксацію, рекристалізацію та інші (подібні) явища Таким чином, розробка фізичного вчення про пластичність потребує охоплення великого кола явищ, частина з яких була перерахована вище, і невіддільна від вирішення наступних фундаментальних проблем: проблеми загальної теорії твердого стану; проблеми міжчасткових сил у твердих тілах; проблеми ідеальної та реальної структури твердих тіл; проблеми теплового руху у твердих тілах. Пластичність- здатність тіла (металу) до пластичної деформації, тобто здатність набувати залишкову зміну форми та розмірів без порушення суцільності. Цю властивість використовують при обробці металів тиском. Характеристиками пластичності є відносне подовження та відносне звуження. За ступенем пластичності метали прийнято поділяти так: високопластичні- (відносне подовження перевищує 40%) - метали, що становлять основу більшості конструкційних сплавів (алюміній, мідь, залізо, титан, свинець) та "легкі" метали (натрій, калій, рубідій та ін.); пластичні- (відносне подовження лежить у діапазоні між 3% і 40%) - магній, цинк, молібден, вольфрам, вісмут та ін. (Найбільша група); тендітні- (відносне подовження менше 3%) – хром, марганець, кольбат, сурма. Високе очищення крихких металів дещо підвищує пластичність. Сплави, отримані з їхньої основі, майже піддаються обробці тиском. Промислові вироби їх часто отримують шляхом лиття. Відносне подовження. Відносне подовження є умовною характеристикою пластичності. Це пояснюється тим, що абсолютне подовження складається з двох складових: рівномірного подовження дельта l р, пропорційного довжині зразка, та місцевого, зосередженого подовження в шийці дельта l ш, пропорційного площі поперечного перерізу зразка. Звідси випливає, частка місцевого деформації, отже, і значення дельта l ост і δ в коротких зразків більше, ніж в довгих. При цьому для різних матеріалів відносна величина рівномірної та місцевої деформацій коливається у широких межах. Більшість пластичних матеріалів деформується з утворенням шийки. При цьому рівномірна деформація становить 5-10% місцевої деформації, у сплавів типу дуралюмін 18-20%, у латунів 35-45% і т. д., але не більше 50%. Для крихких матеріалів або шийка, що знаходяться в крихкому стані, не утворюється і практично дельта l ост = дельта l p . Відносне подовження металів характеризує таблицю 2. Таблиця 2. Пластичність металів. Відносне звуження.У пластичних матеріалів відносне звуження більш точно характеризує їх максимальну пластичність - здатність до місцевої деформації і нерідко є технологічною характеристикою при листовому штампуванні і т.д. 3.
Теоретична та технічна міцність Технічна (реальна) міцність металів у 10-1000 разів менша, ніж їх теоретична міцність, яка визначається силами міжатомного зчеплення. Наприклад, для заліза теоретично обчислене значення опору відриву S від = 2100 кгс/мм 2 . Технічна міцність заліза: S ВІД = 70 кгс/мм 2 σ у = 30 кгс/мм 2 . Така велика відмінність пояснюється тим, що теоретична міцність відповідає ідеальним бездефектним кристалічним ґратам металу. У реальних металах завжди є дислокації та інші дефекти кристалічних ґрат, включення, мікротріщини і т. п., що знижують міцність та ініціюють руйнування (рис. 3). Рис.3 Залежність міцності від кількості дислокацій та інших дефектів кристалічних ґрат (схема І. А. Одинга): 1 - чисті, відпалені метали; 2 - сплави, зміцнені легуванням, термічною обробкою, пластичною деформацією (наклеп) тощо. Мінімальну міцність мають чисті, відпалені метали при щільності дислокацій близько 107-108 см-2. Зі зменшенням кількості дислокацій опір деформуванню, тобто міцність металу, зростає і може досягати теоретичного значення. Переконливі докази справедливості цього положення були отримані при дослідженні металевих вусів - ниткоподібних кристалів завтовшки 0,5-2 мкм і довжиною до 10 мм з практично бездефектною кристалічною структурою. Вуса заліза товщиною 1 мкм мають межу міцності у = 1350 кгс/мм 2 , тобто майже теоретичну міцність. Через малі розміри вуса застосовують обмежено. Збільшення розмірів вусів призводить до появи дислокацій та різкого зниження міцності. Правіше за точку 1 (див. рис. 3) зі збільшенням кількості дислокацій (дефектів) міцність металів зростає. Це використовують за таких способів зміцнення, як легування, термічна обробка, холодна пластична деформація і т.д. Основними причинами зміцнення є збільшення кількості (щільності) дислокацій, спотворення кристалічних ґрат, виникнення напруг, подрібнення зерен металу і т. д., тобто все те, що ускладнює вільне переміщення дислокацій. Гранична щільність дислокацій для зміцнення становить приблизно 1012 см -2 . При більшій щільності у металі утворюються субмікроскопічні тріщини, що викликають руйнування. Висновок Питання пластичності та міцності твердих тіл мають першорядне значення для багатьох галузей техніки. Пластичність і міцність даного матеріалу визначають зрештою можливість використання його в будівельних спорудах, деталях машин, конструкціях приладів, інструментах для механічної обробки твердих тіл і в багатьох інших випадках. Ці властивості визначають також можливість механічної обробки даного матеріалу тиском (куванням, прокаткою, штампуванням, різанням) і задають потужності застосовуваних для цієї мети машин. В даний час слід проблему міцності та пластичності твердих тіл розглядати з позицій двох галузей інтересів – фізичної та технічної. Перша з них включає: а) з'ясування фізичної природи пластичності та міцності твердих тіл на основі вивчення елементарних процесів, що протікають при деформуванні та руйнуванні; б) систематичне накопичення та узагальнення нових фактів та закономірностей поведінки твердих тіл в умовах, що зустрічаються на практиці. У другу область інтересів входять усі завдання, пов'язані із застосуванням твердих тіл у техніці із загальним феноменологічним описом їх силової та деформаційної поведінки за різних видів напруженого стану та у різноманітних умовах експлуатації із застосуванням цих відомостей для розрахунку міцності та пластичності деталей машин та споруд на базі формальних теорій міцності та пластичності. Дослідження природи міцності та пластичності твердих тіл необхідні для створення суворої фізичної теорії їхнього пластичного деформування та руйнування. Побудова такої теорії полягає в першу чергу у вирішенні задачі про відступ будови твердих тіл від ідеально правильного під впливом механічних факторів та вплив порушень ідеальної будови твердих тіл на їх пластичність і міцність. Цілком очевидно, що відсутність фізичної теорії, що спирається на різноманітність експериментальних фактів, які вдалося накопичити в результаті багаторічної роботи над проблемою, як і раніше, гальмуватиме вирішення низки можливих практичних питань. Найголовніші з них полягають у наступному: у розробці принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, у покращенні існуючих матеріалів, у визначенні шляхів подальшої раціоналізації їх обробки. Величезне народногосподарське значення цих завдань очевидно. Тим часом до теперішнього часу існує помітний розрив між запитами техніки щодо міцності та пластичності матеріалів для різноманітних умов їх роботи в машинах та конструкціях та можливостями теорії для відшукання шляхів вирішення завдань. Зараз, у разі, ми маємо лише нарисами можливої теорії окремих явищ, і навіть деякими експериментальними основами теорії, що охоплюють які далеко не повністю стоять перед нами питання. Список літератури 1. Александров, А. В. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для вузів. - М.: Вища школа, 1990. - 399 с. - ISBN 5-06-000053-2. 2. Гуль Ст Е., Структура і міцність полімерів, 2 видавництва, М., 1971. 3. Зубчанінов, В. Г. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для студентів машинобудівних спеціальностей вузів / В. Г. Зубчанінов. – М.: Вища школа, 1990. – 368 с.: іл. - ISBN 5-06-000706-5. 4. Інденбом Ст Л., Орлов А. Н., Проблема руйнування у фізиці міцності, "Проблеми міцності", 1990 № 12, с. 3; 5. Г.В.Курдюмов. Фізичні основи міцності та пластичності твердих тіл. - М.: - 1975. 6. Механічні властивості матеріалів, пров. з англ., за ред. Р. І. Баренблатта, М., 1966; 7. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для студентів машинобудівних спеціальностей вузів / В. Г. Зубчанінов. - М.: Вища школа, 1990. - 368 с. : іл. - ISBN 5-06-000706-5. 8. Регель Ст Р., Слуцкер А. І., Томашевський Е. Є., Кінетична природа міцності твердих тіл, М., 1974. 9. Соколовський Ст Ст, Теорія пластичності, 3 видавництва, М., 1969. 10. Феодосьєв В.І. Опір матеріалів. - М: Вид-во МДТУ ім. н.е. Баумана, 1999. С. 86. ISBN 5-7038-1340-9. 11. Чисельні методи в теорії пружності та пластичності: навч. посібник для ун-тів. / Б.Є. Переможець. - М: Мгу, 1981. - 343 з Пластичність сумішіхарактеризують її рухливістю, т. е. здатністю розтікатися під впливом власної ваги чи прикладених до неї зовнішніх сил. Рухливість багатьох розчинних сумішей визначають глибиною занурення (в см) стандартного конуса масою (300:4:2) г. Конус 3, що утримується за кільце, підносять до суміші так, щоб він вершиною торкався її поверхні. Потім конус відпускають і він поринає в суміш під дією власної ваги. Рухливість розчинової сумішізалежить насамперед від кількості води та в'яжучого, виду в'яжучого та заповнювача, співвідношення між в'язким та заповнювачем. Жирні розчинні суміші рухливіші за тонкі. За інших рівних умов розчини на вапні та глині більш рухливі, ніж на цементі; розчини на природному піску рухливіше розчинів на штучному піску (дробленому). Рухливість розчинової суміші можна регулювати, збільшуючи або зменшуючи витрату в'яжучої води або. Збільшуючи в розчинній гмісі вміст води і в'яжучого, отримують більш пластичні (рухливі) і суміші, що зручно укладаються. Здобовкладна розчинна суміш виходить при правильно призначеному зерновому складі її твердих складових (піску, в'яжучого, добавки). Тісто в'яжучого не тільки заповнює порожнечі між зернами піску, а й рівномірно обволікає піщинки тонким шаром, зменшуючи внутрішнє тертя. Від зручності укладання суміші залежить якість кам'яної кладки і штукатурки. Розшаровуваність- здатність розчинної суміші розділятися на тверду та рідку фракції при транспортуванні та перекачуванні її по трубах та шлангах. Перевірити суміш на розшаровування спрощено можна так. У цебро поміщають розчинну суміш шаром висотою близько 30 см і визначають її рухливість еталонним конусом. Через 30 хв знімають верхню частину розчину (близько 20 см) і вдруге визначають глибину занурення конуса. Якщо різниця значень занурення конуса близька нулю, то розчинну суміш вважають нерозшаровується, якщо вона знаходиться в межах 2 см - суміш вважають середньої розшаровування. Якщо склад розчинної суміші підібраний правильно і водов'яжуче відношення призначено правильно, то розчинна суміш буде рухомою, зручно укладається, вона матиме хорошу водоутримуючу здатність і не розшаровуватиметься. Реферат з дисципліни: "Технологія конструкційних матеріалів" "Фізичні основи пластичності та міцності металів" Виконав студент Перевірив викладач Вступ Основними механічними властивостями є міцність, пластичність, пружність, в'язкість, твердість. Знаючи механічні властивості, конструктор при проектуванні обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність машин та конструкцій за їх мінімальної маси. Пластичність та міцність відносяться до найважливіших властивостей твердих тіл. Обидві ці властивості, взаємно пов'язані один з одним, визначають собою здатність твердих тіл протистояти незворотній формозміні і макроскопічному руйнуванню, тобто поділу тіла на частини в результаті зовнішніх або внутрішніх силових полів мікроскопічних тріщин, що виникають в ньому під впливом. Для технолога дуже важливе значення має пластичність, що визначає можливість виготовлення виробів у різний спосіб обробки тиском, заснованими на пластичному деформуванні металу. Матеріали з підвищеною пластичністю менш чутливі до концентраторів напруг та інших факторів крихкості. За показниками міцності, пластичності тощо проводять порівняльну оцінку різних металів і сплавів, а також контроль їх якості при виготовленні виробів. У фізиці та техніці пластичність – здатність матеріалу отримувати залишкові деформації без руйнування та зберігати їх після зняття навантаження. Властивість пластичності має вирішальне значення для таких технологічних операцій, як штампування, витяжка, волочіння, гнучка та ін. Міцність твердих тіл, у широкому значенні - властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню (поділу на частини), а також незворотній зміні форми (пластичної деформації) під дією зовнішніх навантажень. У вузькому значенні - опір руйнації. Мета справжньої роботи – вивчити фізичні основи пластичності та міцності металів. 1.
Фізичні основи міцності металів Міцність є фундаментальною властивістю твердих тіл. Вона визначає здатність тіла протистояти без руйнування дії зовнішніх сил. Зрештою, як відомо, міцність визначається величиною та характером міжатомного зв'язку, структурною та атомно-молекулярною рухливістю частинок, що становлять тверде тіло. Механізм цього явища залишається невирішеним і нині. Залишається нез'ясованим питання про природу міцності, про сутність процесів, які у матеріалі, що під навантаженням. У питаннях міцності не тільки немає закінченої фізичної теорії, але навіть за основними уявленнями існують розбіжності у поглядах і протилежні думки. Кінцевою метою вивчення механізму руйнування має бути з'ясування основних принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, покращення існуючих матеріалів та раціоналізація способів їх обробки. Міцністю називають властивість твердих тіл, що чинить опір руйнуванню, а також незворотними змінами форми. Основним показником міцності є тимчасовий опір, що визначається при розриві циліндричного зразка, попередньо підданого відпалу. За міцністю метали можна поділити на такі групи: неміцні (тимчасовий опір вбирається у 50 МПа) - олово, свинець, вісмут, і навіть м'які лужні метали; міцні (від 50 до 500 МПа) – магній, алюміній, мідь, залізо, титан та інші метали, що становлять основу найважливіших конструкційних сплавів; високоміцні (понад 500 МПа) - молібден, вольфрам, ніобій та ін. До ртуті поняття міцності не застосовується, оскільки це рідина. Тимчасовий опір металів зазначено у таблиці 1. Таблиця 1. Міцність металів Більшість технічних характеристик міцності визначають у результаті статичного випробування розтягування. Зразок, закріплений у захватах розривної машини, деформується при статичному, плавно зростаючому навантаженні. При випробуванні, зазвичай, автоматично записується діаграма розтягування, що виражає залежність між навантаженням і деформацією. Невеликі деформації з точністю визначаються тензометрами. Щоб виключити вплив розмірів зразків, випробування на розтяг проводять на стандартних зразках з певним співвідношенням між розрахунковою довжиною l 0 і площею поперечного перерізу F 0 . Найбільш широко застосовують зразки круглого перерізу: довгі з l0/d0 = 10 або короткі з l0/d0 = 5 (де d0 - вихідний діаметр зразка). На рис. 1 а наведена діаграма розтягування маловуглецевої відпаленої сталі. При навантаженні, що відповідає початковій частині діаграми, матеріал відчуває лише пружну деформацію, яка повністю зникає після зняття навантаження. До точки а ця деформація пропорційна навантаженню чи діючій напрузі де Р - прикладене навантаження; F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка. Навантаженню в точці а, що визначає кінець прямолінійної ділянки діаграми розтягування, відповідає межа пропорційності. Теоретична межа пропорційності- максимальна напруга, до якої зберігається лінійна залежність між напругою (навантаженням) та деформацією σ пц = Р пц / F0. Так як при визначенні положення точка на діаграмі можуть бути похибки, зазвичай користуються умовною межею пропорційності, під яким розуміють напругу, що викликає певну величину відхилення від лінійної залежності, наприклад альфа tg змінюється на 50% від свого первісного значення. Прямолінійну залежність між напругою та деформацією можна висловити законом Гука: σ = Е епсілон, де епсілон = (дельта l/l про) 100% - відносна деформація; дельта l – абсолютне подовження, мм; l 0 - Початкова довжина зразка, мм. Рис.1 Діаграма розтягування маловуглецевої сталі (а) та схема визначення умовної межі плинності σ0,2 (б) Коефіцієнт пропорційності Е (графічно рівний tg aльфа), що характеризує пружні властивості матеріалу, називається модулем нормальної пружності. При заданій величині напруги із збільшенням модуля зменшується величина пружної деформації, тобто зростає жорсткість (стійкість) конструкції (виробу). Тому модуль Е також називають модулем жорсткості. Величина модуля залежить від природи сплаву і змінюється трохи за зміни його складу, структури, термічної обробки. Наприклад, для різних вуглецевих та легованих сталей після будь-якої обробки Е = 21000 кгс/мм 2 . Теоретична межа пружності- максимальна напруга, до якої зразок отримує лише пружну деформацію: σ уп = Р уп / F0. Якщо діюча напруга деталі (конструкції) менше σ уп, то матеріал працюватиме в області пружних деформацій. Зважаючи на труднощі визначення σ уп практично користуються умовною межею пружності, Під яким розуміють напругу, що викликає залишкову деформацію 0,005-0,05% початкової розрахункової довжини зразка. У позначенні умовної межі пружності вказують величину залишкової деформації, наприклад 0,005 і т. д. Більшість матеріалів теоретичні межі пружності і пропорційності близькі за величиною. Для деяких матеріалів, наприклад міді, межа пружності більша за межу пропорційності. Межа плинності- фізичний та умовний-характеризує опір матеріалу невеликим пластичним деформаціям. Фізична межа плинності- напруга, за якої відбувається збільшення деформації при постійному навантаженні т = P Т / F 0 . На діаграмі розтягування межі плинності відповідає горизонтальна ділянка з - d, коли спостерігається пластична деформація (подовження) - «перебіг» металу при постійному навантаженні. Більшість технічних металів і сплавів немає майданчика плинності. Для них найчастіше визначають умовна межа плинності- напруга, що викликає залишкову деформацію, що дорівнює 0,2% від початкової розрахункової довжини зразка (рис. 1, б): σ0,2 =Р 0,2 / F 0 При подальшому навантаженні пластична деформація дедалі більше збільшується, рівномірно розподіляючись у всьому обсязі зразка. У точці, де навантаження досягає максимального значення, в найбільш слабкому місці зразка починається утворення «шийки» - звуження поперечного перерізу; деформація зосереджується однією ділянці - з рівномірної перетворюється на місцеву. Напруга в матеріалі в цей момент випробування називають межею міцності.
Відносне подовження, що визначається на довгих зразках, позначається 10 на коротких 5 , причому завжди 5 > 10 .
Природно, що властивості свіжоприготовленої суміші розчину і затверділого розчину зовсім різні. Основними властивостями розчинної суміші є удобовкладальність, пластичність (рухливість) і водоутримуюча здатність, а затверділих розчинів - щільність, міцність та довговічність.
Правильний вибір області застосування розчинів повністю залежить від їх властивостей. Властивості розчинних сумішей
Зручність- Властивість розчинної суміші легко укладатися щільним і тонким шаром на пористу основу і не розшаровуватися при зберіганні, транспортуванні та перекачуванні насосами.
Вона залежить від пластичності (рухливості) та водоутримуючої здатності суміші.
Висота конуса 180 мм, діаметр основи 150 мм, кут при вершині 30°.
У лабораторії конус встановлюють на штативі (рис. 1, а), в умовах будівельного майданчика його підвішують на ланцюжку з кільцем (рис. 1,6).
Рис.1. Штатив
По діленням на шкалі 6 або на поверхні конуса визначають глибину занурення його в суміш. Якщо конус занурився на глибину 6 см, це означає, що рухливість розчинної суміші дорівнює 6 см.
Вид в'яжучого підбирають і склад розчину задають залежно від необхідної міцності розчину та умов експлуатації будівлі.
Розчинна суміш з нормальною водоутримуючою здатністю - зручнообробна і м'яка, що зручно укладається, не тягнеться за лопатою штукатура, забезпечує високу продуктивність праці.
Правильно підібрана і добре перемішана розчинна суміш щільно заповнює нерівності, поглиблення, тріщини в основі, тому виходить велика площа контакту між розчином і основою, в результаті зростає монолітність кладки та штукатурки, збільшується їхня довговічність.
Розчинну суміш часто перевозять автосамоскидами і переміщують трубопроводами за допомогою розчинонасосів. При цьому не рідкісні випадки, коли суміш поділяється на воду (рідка фаза) і пісок і в'яжуче (тверда фаза), в результаті чого в трубах та шлангах можуть утворитися пробки, усунення яких пов'язане з великими втратами праці та часу.
Розшарування розчинної суміші визначають у лабораторії.
Різниця значень занурення конуса більше 2 см свідчить, що розчинна суміш розшаровується.
Пластифікуючі добавки як неорганічні, так і органічні підвищують водоутримуючу здатність розчинних сумішей і зменшують їх розшаровування
