Різні матеріалипо-різному реагують на прикладену до них зовнішню силу, що викликає зміну їх форми та лінійних розмірів. Таку зміну називають пластичною деформацією. Якщо тіло після припинення дії самостійно відновлює початкову форму та лінійні розміри – така деформація називається пружною. Пружність, в'язкість, міцність та твердість є основними механічними характеристикамитвердих та аморфних тіл і зумовлюють зміни, що відбуваються з фізичним тілом при деформації під дією зовнішнього зусилля та її граничному випадку – руйнуванні. Межа плинності матеріалу - це значення напруги (або сили на одиницю площі перерізу), за якого починається пластична деформація.
Знання механічних властивостей матеріалу є надзвичайно важливим для конструктора, який використовує їх у своїй роботі. Він визначає максимальне навантаження на ту чи іншу деталь або конструкцію в цілому, при перевищенні якої почнеться пластична деформація, і конструкція втратить з вою міцність, форму і може бути зруйнована. Руйнування або серйозна деформація будівельних конструкцій або елементів транспортних систем може призвести до масштабних руйнувань, матеріальних втрат і навіть людських жертв.
Межа плинності - це максимальне навантаження, яке можна прикласти до конструкції без її деформації та подальшого руйнування. Чим вище значення, тим більші навантаження конструкція зможе витримати.
Насправді межа плинності металу визначає працездатність самого матеріалу та виробів, виготовлених із нього, під граничними навантаженнями. Люди завжди прогнозували граничні навантаження, які можуть витримати споруджувані ними будівлі або створювані механізми. На ранніх етапах розвитку промисловості це визначалося досвідченим шляхом, і лише в XIX столітті було започатковано створення теорії опору матеріалів. Питання надійності вирішувалося створенням багаторазового запасу за міцністю, що вело до обтяження та подорожчання конструкцій. Сьогодні необов'язково створювати макет виробу певного масштабу або в натуральну величину та проводити на ньому досліди щодо руйнування під навантаженням. комп'ютерні програмисімейства CAE (інженерних розрахунків) можуть з точністю розрахувати параметри міцності готового виробута передбачити граничні значеннянавантажень.
Величина межі плинності матеріалу
З розвитком атомної фізики у ХХ столітті з'явилася можливість розрахувати значення параметра теоретичним шляхом. Цю роботу першим зробив Яків Френкель в 1924 році. Виходячи з міцності міжатомних зв'язків, він шляхом складних на той час обчислень визначив величину напруги, достатньої для початку пластичної деформації тіл простої форми. Величина межі плинності матеріалу дорівнюватиме
τ = G/2π. де G - модуль зсуву , якраз і визначає стійкість зв'язків між атомами.
Розрахунок величини межі плинності
Геніальне припущення, зроблене Френкелем при розрахунках, полягало в тому, що процес зміни форми матеріалу розглядався як напруга зсуву, що приводиться в дію. Для початку пластичної деформації належало достатнім, щоб одна половина тіла зрушила відносно іншої до такої міри, щоб не змогла повернутися в початкове положенняпід впливом сил пружності.
Френкель припустив, що матеріал, що випробовується в уявному експерименті, має кристалічну або полікристалічну будову, властиву для більшої частини металів, кераміки і багатьох полімерів. Така будова передбачає наявність просторових ґрат, у вузлах яких у строго визначеному порядку розташовані атоми. Конфігурація цієї решітки суворо індивідуальні для кожної речовини, індивідуальні та міжатомні відстані та зв'язуючі ці атоми сили. Таким чином, щоб викликати пластичну деформацію зсуву, потрібно розірвати всі міжатомні зв'язки, що проходять через умовну площину, яка розділяє половини тіла.
При деякому значенні напруги, що дорівнює межі плинності , зв'язки між атомами з різних половин тіла розірвуться, і ради атомів змістяться один щодо одного на одну міжатомну відстань без можливості повернутися у вихідне положення. При продовженні впливу такий мікрозсув продовжуватиметься, поки всі атоми однієї половини тіла не втратять контакт з атомами іншої половини
У макросвіті це викликає пластичну деформацію, змінить форму тіла і при продовженні впливу призведе до його руйнування. На практиці лінія початку руйнувань проходить не посередині фізичного тіла, а знаходиться у місцях розташування неоднорідностей матеріалу.
Фізична межа плинності
Теоретично міцності для кожного матеріалу існує кілька значень цієї важливої характеристики. Фізична межа плинності відповідає значенню напруги, при якому, незважаючи на деформацію, питоме навантаження не змінюється зовсім або змінюється несуттєво. Іншими словами, це значення напруги, при якому фізичне тіло деформується, «тече», без збільшення зусилля, що додається до зразка
Велика кількість металів і сплавів при випробуваннях на розрив демонструють діаграму плинності з відсутнім або слабко вираженим «майданчиком плинності». Для таких матеріалів говорять про умовну межу плинності. Його трактують як напруга, при якому відбувається деформація в межах 0,2%.
До таких матеріалів відносяться леговані та високовуглецеві сталеві сплави, бронза, дюралюміній та багато інших. Чим пластичнішим є матеріал, тим вищий для нього показник залишкових деформацій. Прикладом пластичних матеріалів можуть бути мідь, латунь, чистий алюміній та більшість низьковуглецевих сталевих сплавів.
Сталь як найпопулярніший масовий конструкційний матеріал знаходиться під особливо пильною увагою фахівців з розрахунку міцності конструкцій і гранично допустимих навантажень на них.
Сталеві споруди в ході їх експлуатації піддаються великим за величиною і складним формою комбінованим навантаженням на розтяг, стиск, вигин і зсув. Навантаження можуть бути динамічними, статичними та періодичними. Незважаючи на найскладніші умови використання, конструктор повинен забезпечити у проектованих ним конструкцій та механізмів довговічність, безвідмовність та високий рівень безпеки як для персоналу, так і для навколишнього населення.
Тому до сталі і висуваються підвищені вимогиза механічними властивостями. З точки зору економічної ефективностіпідприємство прагне знизити перетин та інші розміри виробленої ним продукції, щоб знизити матеріаломісткість і вагу і підвищити, таким чином, експлуатаційні характеристики. На практиці ця вимога має бути збалансована з вимогами щодо безпеки та надійності, зафіксованими у стандартах та технічних умовах.
Межа плинності для сталі є ключовими параметрами у цих розрахунках, оскільки він характеризує здатність конструкції витримувати напруги без незворотних деформацій та руйнування.
Вплив вмісту вуглецю на властивості сталей
Відповідно до фізико-хімічного принципу адитивності, зміна фізичних властивостей матеріалів визначається відсотковим вмістом вуглецю. Підвищення його частки до 1,2% дає змогу збільшити міцність, твердість, межу плинності та порогову холодоємність сплаву. Подальше підвищення частки вуглецю призводить до помітного зниження таких технічних показників, як здатність до зварюваності та гранична деформація під час штампування. Сталі з низьким вмістом вуглецю демонструють найкращу зварюваність.
Азот та кисень у сплаві
Ці неметали з початку таблиці Менделєєва є шкідливими домішками та знижують механічні та Фізичні характеристикистали, такі, наприклад, як поріг в'язкості, пластичність та крихкість. Якщо кисень міститься в кількості понад 0,03%, це веде до прискорення старіння сплаву, а азот збільшує ламкість матеріалу. З іншого боку, вміст азоту підвищує міцність, знижуючи межу плинності.
Добавки марганцю та кремнію.
Легуюча добавка у вигляді марганцю застосовується для розкислення сплаву та компенсації негативного впливу шкідливих сірковмісних домішок. Зважаючи на свою близькість за властивостями до заліза, істотного самостійного впливу на властивості сплаву марганець не надає. Типовий вміст марганцю – близько 0,8%.
Кремній надає схожу дію, його додають у процесі розкислення в об'ємній частці, що не перевищує 0,4%. Оскільки кремній суттєво погіршує такий технічний показник, як зварюваність сталі. Для конструкційних сталей, призначених для з'єднання зварюванням, його частка не повинна перевищувати 0,25%. На властивості сталевих сплавів кремній не впливає.
Домішки сірки та фосфору
Сірка є виключно шкідливою домішкою і негативно впливає на багато Фізичні властивостіта технічні характеристики.
Гранично допустимий вміст цього елемента у вигляді крихких сульфітів – 0,06%
Сірка погіршує пластичність, межу плинності, ударну в'язкість, зносостійкість та корозійну стійкість матеріалів.
Фосфор має подвійний вплив на фізико-механічні властивостісталей. З одного боку, з підвищенням його змісту підвищується межа плинності, проте з іншого боку, одночасно знижуються в'язкість та плинність. Зазвичай вміст фосфору в межах від 0,025 до 0,044%. Особливо сильний негативний вплив надає фосфор при одночасному підвищенні об'ємних часток вуглецю.
Легуючі добавки у складі сплавів
Легуючими добавками називають речовини, навмисно введені до складу сплав для цілеспрямованої зміни його властивостей потрібних показників. Такі метали називають легованими сталями. Найкращих показниківможна досягти, додаючи одночасно кілька присадок у певних пропорціях.
Поширеними присадками є нікель, ванадій, хром, молібден та інші. За допомогою легуючих присадок покращують значення межі плинності, міцності, в'язкості, корозійної стійкості та багатьох інших фізико-механічних та хімічних параметрів та властивостей.
Плинність розплаву металу
Плинністю розплаву металу називають його властивість повністю заповнювати ливарну форму, проникаючи у найменші порожнини та деталі рельєфу. Від цього залежить точність виливки та якість її поверхні.
Властивість можна посилити, якщо розмістити під надлишковий тиск. Це фізичне явищевикористовується в установках лиття під тиском. Такий метод дозволяє суттєво підвищити продуктивність процесу лиття, покращити якість поверхні та однорідність виливків.
Випробування зразка для визначення межі плинності
Щоб провести стандартні випробування, використовують циліндричний зразок діаметром 20 мм та висотою 10 мм, закріплюють його у випробувальній установці та піддають розтягуванню. Відстань між нанесеними на бічній поверхні зразка мітками називають розрахунковою довжиною. У ході вимірювань фіксують залежність відносного подовження зразка від величини зусилля, що розтягує.
Залежність відображають як діаграми умовного розтягування. У першому етапі експерименту зростання сили викликає пропорційне збільшення довжини зразка. Після досягнення межі пропорційності діаграма з лінійної перетворюється на криволінійну, втрачається лінійна залежність між силою та подовженням. На цій ділянці діаграми зразок при знятті зусилля може повернутися до вихідних форм і габаритів.
Для більшості матеріалів значення межі пропорційності та межі плинності настільки близькі, що в практичних застосуванняхрізницю між ними не враховують.
Область напруги, при яких відбувається тільки пружна деформація, обмежена межею пропорційності пц. У цій галузі у кожному зерні мають місце лише пружні деформації, а зразка загалом виконується закон Гука – деформація пропорційна напрузі (звідси й назва межі).
З підвищенням напруги в окремих зернах виникають мікропластичні деформації. При таких навантаженнях залишкова напруга незначна (0.001% - 0.01%).
Напруга, при якому з'являються залишкові деформації у зазначених межах, називається умовною межею пружності. У його позначенні індекс вказує на величину залишкової деформації (у відсотках), для якої визначено межу пружності, наприклад σ 0.01 .
Напруга, при якому пластична деформація має місце вже у всіх зернах, називається умовною межею плинності. Найчастіше він визначається при величині залишкової деформації 0.2% і позначається 0.2.
Формально, різницю між межами пружності і плинності пов'язані з точністю визначення «кордону» між пружним і пластичним станом, як і відбиває слово «умовний». Очевидно, що σ пц<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.
Відсутність різкої межі між пружним та пластичним станом означає, що в інтервалі напруг між σ пц і σ 0.2 відбуваються і пружні та пластичні деформації.
Пружний стан існує доти, доки у всіх зернах металу дислокації нерухомі.
Перехід до пластичного стану спостерігається у такому інтервалі навантажень, у яких рух дислокацій (і, отже, пластична деформація) відбувається у окремих кристалічних зернах, а інших продовжує реалізовуватися механізм пружної деформації.
Пластичний стан реалізується, коли рух дислокацій відбувається у всіх зернах зразка.
Після перебудови дислокаційної структури (завершення пластичної деформації) метал повертається у пружний стан, але із зміненими пружними властивостями.
Наведені позначення меж відповідають одновісному розтягуванню, діаграма якого наведена на рис. 7.6. Аналогічні за змістом межі визначають для стискування, вигину та кручення.
Розглянута діаграма й у металів, які мають перехід від пружного стану до пластичному дуже плавний. Однак існують метали з яскраво вираженим переходом у пластичний стан. Діаграми розтягування таких металів мають горизонтальну ділянку, і вони характеризуються не умовною, а фізичною межею плинності.
Найважливіші параметри пружного стану – межа пружності σ у та модулі пружності.
Межа пружності визначає гранично допустимі експлуатаційні навантаження, у яких метал відчуває лише пружні чи невеликі допустимі пружнопластичні деформації. Дуже грубо (і у бік завищення) межу пружності можна оцінити межі плинності.
Модулі пружності характеризують опір матеріалу дії навантаження у пружному стані. Модуль Юнга E визначає опір нормальним напругам (розтягування, стиск і вигин), а модуль зсуву G - дотичних напруг (кручення). Чим більше модулі пружності, тим крутіше пружна ділянка на діаграмі деформації, тим менше величина пружних деформацій при рівних напругах і, отже, більша жорсткість конструкції. Пружні деформації не можуть бути більшими за величину σ у /Е.
Таким чином, модулі пружності визначають гранично допустимі експлуатаційні деформації (з урахуванням величини межі пружності та жорсткість виробів. Модулі пружності вимірюються в тих самих одиницях, що і напруга (МПа або кгс/мм 2).
Конструкційні матеріали повинні поєднувати високі значення межі плинності (витримують великі навантаження) та модулів пружності (забезпечують більшу жорсткість). Модуль пружності Е має однакову величину при стисканні та розтягуванні. Однак межі пружності при стисканні та розтягуванні можуть відрізнятися. Тому при однаковій жорсткості, діапазони пружності при стисканні та розтягуванні можуть бути різні.
У пружному стані метал не відчуває макропластичних деформацій, проте в окремих мікроскопічних обсягах можуть відбуватися локальні мікропластичні деформації. Вони є причиною так званих непружних явищ, що істотно впливають на поведінку металів в пружному стані. При статичних навантаженнях проявляються гістерезис, пружна післядія та релаксація, а при динамічних – внутрішнє тертя.
Релаксація- Мимовільне зменшення напруги у виробі. Прикладом її прояву є слабшання з часом натяжних з'єднань. Чим менша релаксація, тим стабільніша діюча напруга. Крім цього, релаксація призводить до появи залишкової деформації після зняття навантаження. Сприйнятливість до цих явищ характеризує релаксаційна стійкість. Вона оцінюється як відносна зміна напруги з часом. Чим вона більша, тим менше метал схильний до релаксації.
Внутрішнє тертя визначає незворотні втрати енергії при змінних навантаженнях. Втрати енергії характеризуються декрементом згасання чи коефіцієнтом внутрішнього тертя. Метали з великим декрементом згасання ефективно гасять звук і вібрації, менше схильні до резонансу (один з кращих металів, що демпфують - сірий чавун). Метали з низьким коефіцієнтом внутрішнього тертя, навпаки, мінімально впливають на поширення коливань (наприклад, дзвонова бронза). Залежно від призначення метал повинен мати високе внутрішнє тертя (амортизатори) або навпаки низьке (пружини вимірювальних приладів).
З підвищенням температури пружні властивості металів погіршуються. Це проявляється у звуженні пружної області (за рахунок зменшення меж пружності), посилення непружних явищ та зменшення модулів пружності.
Метали, що використовуються виготовлення пружних елементів, виробів зі стабільними розмірами повинні мати мінімальні прояви непружних властивостей. Ця вимога краще виконується, коли межа пружності значно перевищує робочу напругу. Крім цього важливе співвідношення меж пружності та плинності. Чим більше відношення σ у / σ 0.2 тим менше прояв непружних властивостей. Коли говорять, що метал має гарні пружні властивості, зазвичай мається на увазі не тільки високий межа пружності, але і велике значення σ у / σ 0.2 .
МЕЖА МІЦНОСТІ.При напругах, що перевищують межу плинності σ 0.2 метал переходить у пластичний стан. Зовні це проявляється у зниженні опору чинному навантаженню та видимим зміною форми та розмірів. Після зняття навантаження метал повертається в пружний стан, але залишається деформованим на величину залишкових деформацій, які можуть перевищувати граничні пружні деформації. Зміна дислокаційної структури у процесі пластичної деформації збільшує межу плинності металу – відбувається його деформаційне зміцнення.
Зазвичай пластичну деформацію досліджують при одновісному розтягуванні зразка. При цьому визначаються тимчасовий опір у відносне подовження після розриву і відносне звуження після розриву. Картина розтягування при напругах, що перевищують межу плинності, зводиться до двох варіантів, представлених малюнку 7.6.
У першому випадку спостерігається рівномірне розтягування всього зразка - відбувається рівномірна пластична деформація, яка завершується розривом зразка при напрузі в. У цьому випадку σ це умовна межа міцності при розтягуванні, а δ і ψ визначають максимальну рівномірну пластичну деформацію.
У другому випадку зразок спочатку розтягується рівномірно, а після досягнення напруги в утворюється місцеве звуження (шийка) і подальше розтягування, аж до розриву, зосереджено в області шийки. В цьому випадку δ і ψ є сумою рівномірної та зосередженої деформацій. Оскільки «момент» визначення тимчасового опору вже не збігається з «моментом» розриву зразка, то σ визначає не граничну міцність, а умовну напругу, при якому завершується рівномірна деформація. Тим не менш, величину σ часто називають умовною межею міцності незалежно від наявності або відсутності шийки.
У кожному разі різниця (σ в – σ 0.2) визначає інтервал умовних напруг, у якому відбувається рівномірна пластична деформація, а відношення σ 0.2 /σ характеризує ступінь зміцнення. У відпаленому металі σ 0.2 /σ В = 0,5 - 0,6, а після деформаційного зміцнення (наклепу) воно збільшується до 0,9 - 0,95.
Слово «умовний» стосовно σ означає, що воно менше «справжнього» напруги S В діючого в зразку. Справа в тому, що напруга σ визначається як відношення сили, що розтягує, до площі початкового перерізу зразка (що зручно), а справжня напруга S повинна визначатися по відношенню до площі перерізу в момент вимірювання (що складніше). У процесі пластичної деформації відбувається витончення зразка і в міру розтягнення різниця між умовною та істинною напругою збільшується (особливо після утворення шийки). Якщо будувати діаграму розтягування для справжньої напруги, то крива розтягування проходитиме над кривою, намальованою на малюнку і не матиме спадної ділянки.
Метали можуть мати однакове значення у, але, якщо у них різні діаграми розтягування, руйнування зразка буде відбуватися при різних істинних напругах S В (їх справжня міцність буде різною).
Тимчасовий опір σ визначається при навантаженні, що діє протягом десятків секунд, тому часто називається межею короткочасної міцності.
Пластичне деформування досліджується також при стисканні, згинанні, крученні, діаграми деформацій при цьому подібні до наведеної на малюнку. Але з багатьох причин одновісне розтягування в більшості випадків виявляється кращим. Найменш трудомістким є визначення параметрів одновісного розтягування в і δ, вони завжди визначаються при масових заводських випробуваннях, а їх значення обов'язково наводяться у всіх довідниках.
Рис.7.7. Діаграма одновісного розтягування стрижня
Опис методики випробування металів на розтяг (і визначення всіх термінів) наведено в ГОСТ 1497-73. Випробування на стиск описано в ГОСТ 25.503-97, а на кручення - в ГОСТ3565-80.
ПЛАСТИЧНІСТЬ І В'ЯЗКІСТЬ.Пластичність – це здатність металу змінювати форму без порушення цілісності (без тріщин, надривів і більше руйнування). Вона проявляється, коли пружне деформування змінюється пластичним, тобто. при напругах великих межі плинності σ в.
Можливості пластичного деформування характеризує відношення 0.2 / σ ст. При σ 0.2 /σ = 0,5 – 0,6 метал допускає великі пластичні деформації (δ і ψ становлять десятки відсотків). Навпаки, при σ 0.2 /σ в = 0,95 – 0,98 метал поводиться як крихкий: область пластичних деформацій практично відсутня (δ і ψ становлять 1-3%).
Найчастіше пластичні властивості оцінюють за величиною відносного подовження при розриві. Але ця величина визначається при статичному одновісному розтягуванні і тому не характеризує пластичність при інших видах деформацій (згинання, стиснення, кручення), великих швидкостях деформування (ковці, прокатці) та високих температурах.
Як приклад можна навести латуні Л63 і ЛС59-1, у яких практично однакові значення δ, але суттєво різні пластичні властивості. Надрізаний пруток із Л63 у місці розрізу згинається, а з ЛС59-1 обламується при невеликому зусиллі. Дріт із Л63 легко розплющується без утворення тріщин, а з ЛС59-1 розтріскується після кількох ударів. Латунь ЛС59-1 легко піддається гарячій прокатці, а Л63 прокочується тільки у вузькому діапазоні температур, за межами якого заготівля розтріскується.
Таким чином, пластичність залежить від температури, швидкості та способу деформації. На пластичні властивості сильно впливають багато домішок, часто навіть у дуже малих концентраціях.
Насправді визначення пластичності застосовуються технологічні проби, у яких використовуються такі способи деформування, які більше відповідають відповідним технологічним процесам.
Поширена оцінка пластичності за кутом вигину, кількістю перегинів або скручування, які витримує напівфабрикат без появи тріщин та надривів.
Випробування на видавлювання лунки зі стрічки (аналогія зі штампуванням та глибоким витягуванням) проводиться до появи надривів та тріщин.
Хороші пластичні властивості є важливими при технологічних процесах обробки металів тиском. При нормальній експлуатації метал перебуває в пружному стані і його пластичні властивості не виявляються. Тому орієнтуватися на показники пластичності за нормальної експлуатації виробів здавалося б немає сенсу.
Але якщо існує можливість виникнення навантажень, що перевищують межу плинності, то бажано, щоб матеріал був пластичний. Крихкий метал руйнується відразу після перевищення певної межі, а пластичний матеріал здатний, не руйнуючись, поглинути досить надмірну енергію.
Поняття в'язкості та пластичності часто ототожнюють, але ці терміни характеризують різні властивості:
Пластичність- Визначає здатність деформуватися без руйнування, вона оцінюється в лінійних, відносних або умовних одиницях.
В'язкість- Визначає кількість енергії, що поглинається при пластичній деформації, вона вимірюється з використанням одиниць енергії.
Величина енергії, яка потрібна на руйнування матеріалу, дорівнює площі під кривою деформації на діаграмі «справжнє напруга – справжня деформація». Це означає, що вона залежить від максимально можливої деформації і від міцності металу. Спосіб визначення енергоємності при пластичній деформації описаний ГОСТ 23.218-84.
ТВЕРДІСТЬ.Узагальненою характеристикою пружнопластичних властивостей є твердість.
Твердість– це властивість поверхневого шару матеріалу опиратися впровадженню іншого, твердішого тіла, за його зосередженому вплив на поверхню матеріалу. «Інше, твердіше тіло» - це індентор (сталева кулька, алмазна піраміда або конус), що вдавлюється в метал, що випробовується.
Напруги, викликані індентором, визначаються його формою та силою вдавлювання. Залежно від величини цих напруг у поверхневому шарі металу відбуваються пружні, пружно-пластичні або пластичні деформації. У першому випадку зняття навантаження не залишає сліду на поверхні. Якщо напруга перевищує межу пружності металу, після зняття навантаження лежить на поверхні залишається відбиток.
Чим менший відбиток, тим вищий опір вдавлюванню і тим більшою вважається твердість. За величиною зосередженого зусилля, ще залишає відбитка, можна визначити твердість межі плинності.
Чисельне визначення твердості проводиться за методиками Віккерса, Брінелля та Роквелла.
У методі Роквелла твердість вимірюється в умовних одиницях HR, які відбивають ступінь пружного відновлення відбитка після зняття навантаження. Тобто. число твердості за Роквеллом визначає опір пружним або малим пластичним деформаціям. Залежно від виду металу та його твердості використовують різні шкали. Найчастіше використовується шкала і число твердості HRC.
В одиницях HRC часто формулюють вимоги щодо якості поверхні сталевих деталей після термообробки. Твердість HRC найбільшою мірою відображає рівень робочих характеристик високоміцних сталей, а з урахуванням простоти вимірювань за Роквеллом дуже широко застосовується на практиці. Докладно про метод Роквелла з описом різних шкал та твердості різних класів матеріалів.
Твердість по Віккерсу та Брінеллю визначається як відношення зусилля вдавлювання до площі контакту індентора та металу при максимальному впровадженні індентора. Тобто. числа твердості HV і HB мають значення середньої напруги на поверхні невідновленого відбитка, вимірюються в одиницях напруги (МПа або кгс/мм 2) і визначають опір пластичним деформаціям. Основне різницю між цими методами пов'язані з формою індентора.
Застосування алмазної піраміди в методі Віккерса (ГОСТ 2999-75, ГОСТ Р ІСО 6507-1) забезпечує геометричну подібність пірамідальних відбитків при будь-якому навантаженні - співвідношення глибини та розміру відбитка при максимальному втиску не залежить від прикладеного зусилля. Це дозволяє досить суворо порівнювати твердість різних металів, зокрема результати, отримані при різних навантаженнях.
Кульові індентори у методі Брінелля (ГОСТ 9012-59) не забезпечують геометричної подібності сферичних відбитків. Це призводить до необхідності вибирати величину навантаження залежно від діаметра кульового індентора та виду випробуваного матеріалу за таблицями рекомендованих параметрів випробувань. Наслідком є неоднозначність при порівнянні чисел твердості HB для різних матеріалів.
Залежність твердості, що визначається, від величини прикладеного навантаження (невелика для методу Віккерса і дуже сильна в методі Брінелля) вимагає обов'язкового вказівки умов випробування при записі числа твердості, хоча це правило часто не дотримується.
Область впливу індентора на метал можна порівняти з розмірами відбитка, тобто. твердість, що характеризує локальні властивості напівфабрикату або виробу. Якщо поверхневий шар (плакований або зміцнений) відрізняється за властивостями від основного металу, то значення твердості, що вимірюються, будуть залежати від співвідношення глибини відбитка і товщини шару - тобто. будуть залежати від методу та умов вимірювання. Результат вимірювання твердості може стосуватися або тільки поверхневого шару або основного металу з урахуванням його поверхневого шару.
При вимірі твердості визначається результуючий опір запровадження індентора в метал без урахування окремих структурних складових. Усереднення відбувається, якщо розмір відбитка перевищує розміри всіх неоднорідностей. Твердість окремих фазових складових (мікротвердість) визначається методом Віккерса при малих зусиллях вдавлювання.
Прямого взаємозв'язку між різними шкалами твердості немає, відсутні й обґрунтовані методи перекладу чисел твердості з однієї шкали до іншої. Наявні таблиці, що формально пов'язують різні шкали, побудовані за даними порівняльних вимірювань і справедливі лише для конкретних категорій металів. У таких таблицях числа твердості зазвичай порівнюються з числами твердості HV. Це пов'язано з тим, що метод Віккерса дозволяє визначати твердість будь-яких матеріалів (в інших методах діапазон твердості обмежений) і забезпечує геометричну подібність відбитків.
Також немає прямого зв'язку твердості з межами плинності чи міцності, хоча практично часто використовується співвідношення σ в = k НВ. Значення коефіцієнта k визначаються на основі порівняльних випробувань для конкретних класів металів та варіюються від 0,15 до 0,5 залежно від виду металу та його стану (відпалений, нагартований тощо).
Зміни пружних та пластичних властивостей із зміною температури, після термічної обробки, нагартовки і т.д. проявляються у зміні твердості. Твердість вимірюється швидше, простіше, допускає контроль, що не руйнує. Тому зміна характеристик металу після різних видів обробки зручно контролювати саме зміни твердості. Наприклад, зміцнення, збільшуючи 0.2 і 0.2 / σ в, збільшує твердість, а відпал її зменшує.
Найчастіше твердість визначається при кімнатній температурі при вплив індентора менше хвилини. Визначається у своїй твердість називається короткочасної твердістю. За високих температур, коли розвивається явище повзучості (див. нижче), визначається тривала твердість - реакція металу на тривалий вплив індентора (зазвичай протягом години). Тривала твердість завжди менша за короткочасну і ця відмінність зростає зі збільшенням температури. Наприклад, у міді короткочасна і тривала твердість при 400 про С становить 35HV і 25HV, а при 700 про - 9HV і 5HV відповідно.
Розглянуті методи відносяться до статичних: індентор впроваджується повільно, а максимальне навантаження досить довго для завершення процесів пластичної деформації (10 – 180с). У динамічних (ударних) методах вплив індентора на метал короткочасно, тому деформаційні процеси протікають інакше. Різні варіанти динамічних методів використовують у портативних твердомірах.
При зіткненні з матеріалом, що досліджується, енергія індентора (бойка) витрачається на пружну і пластичну деформацію. Чим менше енергії витрачено на пластичну деформацію зразка, тим вищою має бути його «динамічна» твердість, яка визначає опір матеріалу пружнопластичному деформуванню при ударі. Первинні дані перераховуються в числа статичної твердості (HR, HV, HB), які і відображаються на приладі. Такий перерахунок можливий лише з урахуванням порівняльних вимірів для конкретних груп матеріалів.
Існують також оцінки твердості опору абразивному зношування або різання, які краще відображають відповідні технологічні властивості матеріалів.
Зі сказаного слід, що твердість не є первинною властивістю матеріалу, швидше це узагальнена характеристика, що відображає його пружнопластичні властивості. При цьому вибір методу та умов вимірювання може переважно характеризувати або його пружні або, навпаки, пластичні властивості.
2. Межа пружності
3. Межа плинності
4. Межа міцності або тимчасовий опір
5. Напруга в момент розриву
Малюнок. 2.3 – Вид циліндричного зразка після руйнування (а) та зміна зони зразка поблизу місця розриву (б)
Щоб діаграма відображала лише властивості матеріалу (незалежно від розмірів зразка), її перебудовують у відносних координатах (напруга-деформація).
Ординати довільної i-тійточки такої діаграми (рис. 2.4) отримують розподілом значень сили, що розтягує (рис. 2.2) на початкову площу поперечного перерізу зразка (), а абсциси – розподілом абсолютного подовження робочої частини зразка на початкову її довжину (). Зокрема, для характерних точок діаграми ординати обчислюють за формулами (2.3)…(2.7).
Отриману діаграму називають умовною діаграмою напруг (Рис. 2.4).
Умовність діаграми полягає в способі визначення напруги не по поточній площі поперечного перерізу, що змінюється в процесі випробувань, а по початковій - .Діаграма напруг зберігає всі особливості. Характерна напруга діаграми називається граничною і відображає властивості міцності випробуваного матеріалу. (Формули 2.3 ... 2.7). Зауважимо, що межа плинності металу, що навчається в цьому випадку, відповідає новому фізичному стану металу і тому називається фізичною межею плинності.
 |
Малюнок. 2.4 - Діаграма напруг
З діаграми напруги (рис. 2.4) видно, що
тобто модуль пружності при розтягуванні Ечисельно дорівнює тангенсу кута нахилу початкової прямолінійної ділянки діаграми напруги до осі абсцис. У цьому – геометричний зміст модуля пружності при розтягуванні.
Якщо відносити зусилля, що діють на зразок у кожний момент часу навантаження, до справжнього значення поперечного перерізу у відповідний момент часу, то ми отримаємо діаграму справжньої напруги, що часто позначається буквою S(Рис. 2.5, суцільна лінія). Оскільки ділянці діаграми 0-1-2-3-4 діаметр зразка зменшується незначно (шийка ще утворилася), то справжня діаграма, не більше цієї ділянки, практично збігається з умовною діаграмою (пунктирна крива), проходячи трохи вище.
Малюнок. 2.5 - Діаграма справжньої напруги
Побудова решти ділянки істинної діаграми напруги (ділянка 4-5 на рис. 2.5) викликає необхідність вимірювання діаметра зразка в процесі випробування на розтягування, що не завжди можливо. Існує наближений спосіб побудови цієї ділянки діаграми, що ґрунтується на визначенні координат точки 5() істинної діаграми (рис. 2.5), що відповідає моменту розриву зразка. Спочатку визначається справжнє напруження розриву
де - зусилля на зразку в момент його розриву;
- Площа поперечного перерізу в шийці зразка в момент розриву.
Друга координата точки – відносна деформація включає дві складові – справжню пластичну – та пружну – . Значення може бути визначено за умови рівності обсягів матеріалу поблизу місця розриву зразка до та після випробування (рис. 2.3). Так до випробування обсяг матеріалу зразка одиничної довжини дорівнюватиме, а після розриву. Тут – подовження зразка одиничної довжини поблизу місця розриву. Оскільки справжня деформація тут, а 
, то. Пружну склад--ляючу знаходимо за законом Гука: . Тоді абсцис точки 5 дорівнюватиме . Проводячи плавну криву між точками 4 та 5, отримаємо повний вигляд істинної діаграми.
Для матеріалів, діаграма розтягування яких на початковій ділянці не має різко вираженого майданчика плинності (див. рис. 2.6), межу плинності умовно визначають як напругу, при якій залишкова деформація становить величину, встановлену ГОСТом або технічними умовами. За ГОСТом 1497-84 ця величина залишкової деформації становить 0,2% виміряної довжини зразка, а умовна межа плинності позначається символом – .
При випробуванні зразків на розтягнення, крім характеристик міцності, визначають також характеристики пластичності, до яких відноситься відносне подовження зразка після розриву , що визначається як відношення збільшення довжини зразка після розриву до його початкової довжини:
і відносне звуження , що розраховується за формулою
% (2.10)
У цих формулах – початкова розрахункова довжина та площа поперечного перерізу зразка, – відповідно довжина розрахункової частини та мінімальна площа поперечного перерізу зразка після розриву.
Замість відносної деформації у деяких випадках використовують так звану логарифмічну деформацію. Так як у міру розтягування довжини зразка змінюється, то збільшення довжини dlвідносять не до , а до поточного значення . Якщо проінтегрувати збільшення подовжень при зміні довжини від до , то отримаємо логарифмічну чи справжню деформацію металу
тоді - Деформація при розриві (тобто . = k) буде
.
Слід врахувати, що пластична деформація у зразку за його довжиною протікає нерівномірно.
Залежно від природи металу їх умовно поділяють на пластичні (випалена мідь, свинець) пластичні (низьковуглецеві сталі), крихкі (сірий чавун), дуже крихкі (білий чавун, кераміка).
Швидкість програми навантаження V деформвпливає на вигляд діаграми та характеристики матеріалу. σ Т і σ в зростає із підвищенням швидкості навантаження. Деформації, що відповідають межі міцності та точці руйнування зменшуються.
Звичайні машини забезпечують швидкість деформації
10 -2 …10 -5 1/сек.
Зі зниженням температури Т ісп у перлітних сталей збільшується σ Т і зменшується.
Аустенітні сталі, Alі Тисплави слабше реагують зниження Т.
Зі зростанням температури спостерігається зміна деформацій у часі при постійних напругах, тобто. протікає повзучість, причому ніж > σ , тим< .
Зазвичай буває три стадії повзучості. Для машинобудування найбільший інтерес представляє ІІ стадія, де έ = const (стадія повзучості, що встановилася).
Для порівняння опору повзучості різних металів запроваджено умовна характеристика – межа повзучості.
Межею повзучості σ пл називається напруга, у якому пластична деформація за заданий проміжок часу сягає величини, встановленої технічними умовами.
Поруч із поняттям “повзучості” відоме ще поняття “релаксація напруг”.
Процес релаксації напруги протікає при постійних деформаціях.
Зразок, що знаходиться під постійним навантаженням за високого Тможе зруйнуватися або з утворенням шийки (в'язке інтеркристалічне руйнування), або без неї (крихке транскристалічне руйнування). Перше характерно для нижчих Тта високих σ .
Міцність матеріалу при високих Тоцінюється межею тривалої міцності.
Межею тривалої міцності(σ дп)називається відношення навантаження, при якому розтягнутий зразок через певний проміжок часу руйнується до початкової площі поперечного перерізу.
При проектуванні зварних виробів, що працюють за підвищених Т, орієнтуються на такі величини при призначенні [ σ ]:
а) за Т 260 про З на межу міцності σ в ;
б) за Т 420 про З для вуглецевих сталей Т < 470 о С для стали 12Х1МФ, Т< 550 о С для 1Х18Н10Т – на σ Т ;
в) при вищих Тна межу тривалої міцності σ дп .
Крім перерахованих методів випробувань при статичних навантаженнях виробляють ще випробування на вигин, кручення, зріз, стиск, зминання, стійкість, твердість.
Механічні властивості при розтягуванні, як і за інших статичних випробуваннях, можуть бути поділені на три основні групи: міцнісні, пластичні та характеристики в'язкості. властивості міцності - це характеристики опору матеріалу зразка деформації чи руйнування. Більшість стандартних характеристик міцності розраховують по положенню певних точок на діаграмі розтягування, у вигляді умовних розтягуючих напруг. У розділі 2.3 аналізувалися діаграми в координатах справжньої напруги - справжня деформація, які найбільш точно характеризують деформаційне зміцнення. Насправді ж механічні властивості зазвичай визначають за первинними кривими розтягування в координатах навантаження - абсолютне подовження, які автоматично записуються на діаграмній стрічці випробувальної машини. Для полікристалів різних металів і сплавів все різноманіття цих кривих за низьких температур можна звести в першому наближенні до трьох типів (рис. 2.44).
Малюнок 2.44- Типи первинних кривих розтягування
Діаграма розтягування типу I характерна для зразків, що руйнуються без помітної пластичної деформації. Діаграма II типу виходить при розтягуванні зразків, що рівномірно деформуються аж до руйнування. Нарешті, діаграма III типу характерна для зразків, що руйнуються після утворення шийки в результаті зосередженоюдеформації. Така діаграма може вийти при розтягуванні зразків, що руйнуються без утворення шийки (при високотемпературному розтягуванні); ділянка bkтут може бути сильно розтягнутий і майже паралельний осі деформації. Зростання навантаження до руйнування (див. рис. 2.44, II) або до максимуму (див. рис. 2.44, III) може бути або плавним (суцільні лінії), або уривчастим. В останньому випадку на діаграмі розтягування можуть з'явитися, зокрема, зуб і майданчик плинності (пунктир на рис. 2.44, III,III).
Залежно від типу діаграми змінюється набір характеристик, які можна розраховувати, і навіть їх фізичний смысл. На рис. 2.44 (діаграма III типу) нанесені характерні точки, за ординатами яких розраховують характеристики міцності
(σ i = P i / F 0).
Як бачимо, на діаграмах двох інших типів (див. рис. 2.44, I,II) можуть бути нанесені не всі ці точки.
Межа пропорційності.Перша характерна точка на діаграмі розтягування - точка p(Див. рис. 2.45). Зусилля Р nu визначає величину межі пропорційності – напруги, яку матеріал зразка витримує без відхилення від закону Гука.
Приблизно величину Р nu можна визначити за точкою, де починається розбіжність кривої розтягування та продовження прямолінійної ділянки (рис. 2.46).
Малюнок 2.46- графічні способи визначення межі пропорційності.
Для того, щоб уніфікувати методику та підвищити точність розрахунку межі пропорційності, його оцінюють як умовну напругу (σ nu), при якому відступ від лінійної залежності між навантаженням та подовженням досягає певної величини. Зазвичай допуск при визначенні σ nu задають зменшення тангенса кута нахилу, утвореного дотичної до кривої розтягування в точці pз віссю деформацій, порівняно з тангенсом на початковій пружній ділянці. Стандартна величина допуску 50%, можливе також використання 10%-ного та 25%-ного допуску. Його величина повинна вказуватися в позначенні межі пропорційності - nu 50 , nu 25 , nu 10 .
При досить великому масштабі первинної діаграми розтягування величину межі пропорційності можна визначити графічно на цій діаграмі (див. рис. 2.46). Насамперед продовжують прямолінійну ділянку до перетину з віссю деформації в точці 0, яку і приймають за новий початок координат, виключаючи таким чином спотворений через недостатню жорсткість машини початкову ділянку діаграми. Далі можна скористатися двома способами. За першим із них на довільній висоті в межах пружної області відновлюють перпендикуляр АВдо осі навантажень (див. рис. 2.46, а), відкладають уздовж нього відрізок НД=½ АВта проводять лінію ОС.При цьому tg α = tg α/1,5. Якщо тепер провести дотичну до кривої розтягування паралельно ОСто точка торкання рвизначить шукане навантаження P nu.
При другому способі з довільної точки прямолінійної ділянки діаграми опускають перпендикуляр KU(див. рис. 2.46, б) на вісь абсцис і ділять його на три рівні частини. Через точку Cі початок координат проводять пряму, а паралельно до неї - дотичну до кривої розтягування. Крапка торкання pвідповідає зусиллю P nu (tg α′= tg α/1,5).
Точніше визначити межу пропорційності можна за допомогою тензометрів - спеціальних приладів для вимірювання малих деформацій.
Межа пружності. Наступна характерна точка на первинній діаграмі розтягування (див. рис. 2.45) – точка е. Їй відповідає навантаження, за яким розраховують умовний межа пружності - напруга, при якому залишкове подовження досягає заданої величини,зазвичай 0,05%, іноді менше - до 0,005%. Використаний при розрахунку допуск вказується в позначенні умовної межі пружності 0,05, 0,01 і т.д.
Межа пружності характеризує напругу, у якому з'являються перші ознаки макропластичної деформації. У зв'язку з малим допуском по залишковому подовженню навіть 0,05 σ важко з достатньою точністю визначити по первинній діаграмі розтягування. Тому в тих випадках, коли високої точності не потрібно, межа пружності приймається рівною межі пропорційності. Якщо ж необхідна точна кількісна оцінка 0,05 , то використовують тензометри. Методика визначення 0,05 багато в чому аналогічна описаної для nu, але є одна принципова відмінність. Оскільки при визначенні межі пружності допуск задається за величиною залишкової деформації, після кожного ступеня навантаження необхідно розвантажувати зразок до початкової напруги 0 ≤ 10% від очікуваного 0,05 σ і потім тільки вимірювати подовження по тензометру.
Якщо масштаб запису діаграми розтягування по осі подовження становить 50:1 і більше, а по осі навантажень ≤10МПа на 1 мм, допускається графічне визначення σ 0,05 . Для цього по осі подовжень від початку координат відкладають відрізок ОК= 0,05 l 0 /100 і через точку Допроводять пряму, паралельну прямолінійній ділянці діаграми (рис. 2.47). Ордината точки ебуде відповідати величині навантаження Р 0,05 , що визначає умовну межу пружності σ 0,05 = P 0,05/F0.
Межа плинності.За відсутності на діаграмі розтягування зуба та майданчика плинності розраховують умовна межа плинності - напруга, при якому залишкове подовження досягає заданої величини,зазвичай 0,2%. Відповідно умовна межа плинності позначається σ 0,2. Як видно, ця характеристика відрізняється від умовної межі пружності лише величиною допуску. Межа
Плинність характеризує напругу, при якому відбувається більш повний перехід до пластичної деформації.
Найбільш точна оцінка величини 0,2 може бути виконана при використанні тензометрів. Оскільки допуск за подовженням для розрахунку умовної межі плинності відносно великий, його часто визначають графічно за діаграмою розтягування, якщо остання записана у досить великому масштабі (не менше 10:1 по осі деформацій). Робиться це як і, як із розрахунку межі пружності (див. рис. 2.47), лише відрізок ОК = 0,2l 0 /100.
Умовні межі пропорційності, пружності та плинності характеризують опір матеріалу малим деформаціям. Величина їх трохи відрізняється від справжніх напруг, що відповідають відповідним допускам по деформації. Технічне значення цих меж зводиться до того що, щоб оцінити рівні напруг, під впливом яких
та чи інша деталь може працювати, не піддаючись залишкової деформації (межа пропорційності) або деформуючись на якусь невелику допустиму величину, що визначається умовами експлуатації (0,01, 0,05, 0,2 і т.д.). Враховуючи, що в сучасній техніці можливість залишкової зміни розмірів деталей і конструкцій лімітується дедалі жорсткіше, стає ясною необхідність точного знання меж пропорційності, пружності і плинності, які широко використовуються в конструкторських розрахунках.
Фізичний сенс межі пропорційності будь-якого матеріалу настільки очевидний, що вимагає спеціального обговорення. Справді, σ nu для моно- та полікристалу, гомогенного металу та гетерофазного сплаву - це завжди максимальна напруга, до якої при розтягуванні дотримується закон Гука та макропластична деформація не спостерігається. Слід пам'ятати, що до досягнення σ nu в окремих зернах полікристалічного зразка (при їхньому сприятливому орієнтуванні, наявності концентраторів напруг) може початися пластична деформація, яка, однак, не призведе до помітного подовження всього зразка, поки деформацією не виявиться охопленим більшість зерен.
Початковим стадіям макроподовження зразка відповідає межа пружності. Для сприятливо орієнтованого монокристалу він повинен бути близький до критичної напруги, що сколює. Звичайно, при різних кристалографічних орієнтуваннях монокристалу межа пружності буде різною. У досить дрібнозернистого полікристалу без текстури межа пружності ізотропний, однаковий у всіх напрямках.
Природа умовної межі плинності полікристалу в принципі аналогічна природі межі пружності. Але саме межа плинності є найбільш поширеною та важливою характеристикою опору металів та сплавів малої пластичної деформації. Тому фізичний зміст межі плинності та її залежність від різних чинників необхідно проаналізувати докладніше.
Плавний перехід від пружної до пластичної деформації (без зуба та майданчика плинності) спостерігається при розтягуванні таких металів та сплавів, у яких є досить велика кількість рухомих, незакріплених дислокацій у вихідному стані (до початку випробування). Напруга, необхідне для початку пластичної деформації полікристалів цих матеріалів, що оцінюється через умовну межу плинності, визначається силами опору руху дислокацій усередині зерен, легкістю передачі деформації через їх межі та розміром зерен.
Ці фактори визначають і величину фізичної межі плинностіσ т - напруги, при якому зразок деформується під дією практично незмінного навантаження, що розтягує Рт (див. рис. 2.45, майданчик плинності на пунктирної кривої). Фізична межа плинності часто називають нижньою на відміну від верхньої межі плинності, що розраховується за навантаженням, що відповідає вершині зуба плинності. і(див. рис. 2.45): σ т.в = Pт.в / F0.
Утворення зуба та майданчика плинності (так зване явище різкої плинності) зовні виглядає так. Пружне розтягування призводить до плавного підйому опору деформуванню аж до σ т.в, потім відбувається відносно різкий спад напруги до σ т.зв. Під час подовження, відповідного на цьому майданчику, зразок на робочій довжині покривається характерними смугами Чернова - Людерса, в яких локалізується деформація. Тому величину подовження на майданчику плинності (0,1 – 1%) часто називають деформацією Чернова – Людерса.
Явище різкої плинності спостерігається в багатьох технічно важливих металевих матеріалів тому має велике практичне значення. Воно представляє також загальний теоретичний інтерес з погляду розуміння природи початкових стадій пластичної деформації.
В останні десятиліття показано, що зуб і майданчик плинності можна отримати при розтягуванні моно- та полікристалів металів та сплавів з різними ґратами та мікроструктурою. Найбільш часто фіксується різка плинність при випробуванні металів з ОЦК гратами та сплавів на їх основі. Природно, практичне значення різкої плинності цих металів особливо велике, і більшість теорій також розроблялося стосовно особливостям цих металів. Використання дислокаційних уявлень для пояснення різкої плинності було одним із перших та дуже плідних додатків теорії дислокацій.
Спочатку утворення зуба та майданчики плинності в ОЦК металах пов'язували з ефективним блокуванням дислокацій домішками. Відомо, що в ОЦК решітці атоми домішок впровадження утворюють поля пружних напруг, що не володіють кульовою симетрією, і взаємодіють з дислокаціями всіх типів, у тому числі з суто гвинтовими. Вже при малих концентраціях [<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.
Підтвердженням правильності теорії Коттрелла є результати наступних простих дослідів. Якщо продеформувати залізний зразок, наприклад, до точки А(Рис. 2.48), розвантажити його і відразу розтягнути, то зуба і майданчики плинності не виникне, тому що після попереднього розтягування в новому вихідному стані зразок містив безліч рухливих, вільних від домішкових атмосфер дислокацій. Якщо тепер після розвантаження від точки Азразок витримати при кімнатній чи трохи підвищеної температурі, тобто. дати час для конденсації домішок на дислокаціях, при новому розтягуванні на діаграмі знову з'явиться зуб і майданчик текучості.
Таким чином, теорія Коттрелла пов'язує різку плинність з деформаційним старінням – закріпленням дислокацій домішками.
Припущення Коттрелла, що після розблокування пластична деформація принаймні спочатку здійснюється шляхом ковзання цих «старих», але тепер звільнених від домішок дислокацій виявилося не універсальним. Для ряду матеріалів встановлено, що вихідні дислокації можуть бути настільки міцно закріплені, що їх розблокування не відбувається і пластична деформація на майданчику плинності йде за рахунок руху дислокацій, що знову утворилися. Крім того, утворення зуба та майданчика плинності спостерігається у бездислокаційних кристалів – «усів». Отже, теорія Коттрелла описує лише окремий, хоч і важливий, випадок прояву різкої плинності.
Основою сучасної теорії тезкої плинності, яку ще не можна вважати остаточно встановленою, є все те ж становище, висунуте Коттреллом: зуб і майданчик плинності обумовлені різким збільшенням числа рухливих дислокацій на початку пластичного течії. Це означає, що їх появи потрібно виконання двох умов: 1) у вихідному зразку число вільних дислокацій має бути дуже малим, і 2) воно повинно мати можливість швидко збільшитися за тим чи іншим механізмом на самому початку пластичної деформації.
Недолік рухливих дислокацій у вихідному зразку може бути пов'язаний або з високою досконалістю субструктури (наприклад, в вусах) або з закріпленням більшості наявних дислокацій. За Коттреллом, таке закріплення можна досягти утворенням домішкових атмосфер. Можливі інші способи закріплення, наприклад частинками другої фази.
Різко збільшитися кількість рухомих дислокацій може:
1) за рахунок розблокування раніше закріплених дислокацій (відрив від домішкових атмосфер, обхід частинок поперечним ковзанням тощо);
2) Шляхом утворення нових дислокацій;
3) Шляхом їх розмноження внаслідок взаємодії.
У полікристалах межа плинності залежить від розміру зерна. Кордони зерен служать ефективними бар'єрами для дислокацій, що рухаються. Чим дрібніше зерно, тим частіше зустрічаються ці бар'єри на шляху ковзаючих дислокацій і більша напруга потрібна для продовження пластичної деформації вже на її початкових стадіях. В результаті в міру подрібнення зерна межа плинності зростає. Численні експерименти показали, що нижня межа плинності
σ т.зв = σ i + K y d -½, (2.15)
де σ i та K y -константи матеріалу при певній температурі випробування та швидкості деформування; d- Розмір зерна (або субзерна при полігонізованій структурі).
Формула 2.15, звана на ім'я її перших авторів рівнянням Петча - Холла, універсальна і добре описує вплив розміру зерна як на σ т.зв., а й умовний межа плинності і взагалі будь-яку напругу у сфері рівномірної деформації.
Фізичне трактування емпіричного рівняння (2.15) базується на вже розглянутих уявленнях про природу різкої плинності. Константа σ i розглядається як напруга, необхідна для переміщення дислокацій усередині зерна, а доданок K y d -½- як напруга, яка потрібна для приведення в дію дислокаційних джерел у сусідніх зернах.
Величина σ i залежить від сили Пайєрлса – Набарро та перешкод ковзанню дислокацій (інші дислокації, сторонні атоми, частинки другої фази тощо). Таким чином, σ i – «напруга тертя» – компенсує ті сили, які доводиться долати дислокаціям при своєму переміщенні всередині зерна. Для експериментального визначення σ i можна використовувати первинну діаграму розтягування: величині σ i відповідає точка перетину екстраполірованою в область малих деформацій кривої розтягування за майданчиком плинності з прямолінійною ділянкою цієї кривої (рис. 2.49, а). Цей метод оцінки σ i ґрунтується на уявленні про те, що ділянка iusдіаграми розтягування є результатом полікристальності зразка, що розтягується; якби він був монокристалом, то пластична течія почалася б у точці i .
Малюнок 2.49.Визначення напруги перебігу σ i по діаграмі розтягування (а) та залежності нижньої межі плинності від розміру зерна (б).
Другий спосіб визначення σ i - екстраполяція прямої σ т.зв. d -½до значення d -½ = 0 (див. рис. 2.49, б). Тут вже прямо передбачається, що i - межа плинності монокристала з такою ж внутрішньозеренною структурою, як і полікристали.
Параметр K yхарактеризує нахил прямої σ т - d- ½. За Коттреллом,
K y = σ d(2l) ½,
де σ dнапруга, необхідна для розблокування дислокацій у сусідньому зерні (наприклад, відриву від домішкової атмосфери чи межі зерна); l- відстань від межі зерна до найближчого джерела дислокації.
Таким чином, K yвизначає труднощі передачі деформації від зерна до зерна.
Ефект різкої плинності залежить від температури випробування. Її зміна позначається і на висоті зуба плинності, і на довжині майданчика, і, що найголовніше, на величині нижньої (фізичної) межі плинності. З підвищенням температури випробування висота зуба та довжина майданчика плинності зазвичай зменшуються. Такий ефект зокрема виявляється при розтягуванні ОЦК металів. Винятком є сплави та інтервали температур, у яких нагрівання призводить до посилення блокування дислокацій або утруднення їхнього генерування (наприклад, при старінні або впорядкування).
Нижня межа плинності особливо різко знижується за таких температур, коли істотно змінюється ступінь блокування дислокацій. В ОЦК металах, наприклад, різка температурна залежність σ т.зв. спостерігається нижче 0,2 Тпл, що якраз і зумовлює їхню схильність до крихкого руйнування за низьких температур (див. розділ 2.4). Неминуча температурна залежність σ тн випливає з фізичного сенсу його складових. Справді, i повинна залежати від температури, оскільки напруги, необхідні для подолання сил тертя, падають з підвищенням температури через полегшення обходу бар'єрів шляхом поперечного ковзання і переповзання. Ступінь блокування дислокацій, що визначає величину K yі, отже, доданку K y d -½у формулі (2. 15) також повинна зменшуватися при нагріванні. Наприклад, в ОЦК металах це обумовлено розмиттям домішкових атмосфер вже за низьких температур через високу дифузійну рухливість домішок впровадження.
Умовна межа плинності зазвичай слабше залежить від температури, хоч і вона закономірно знижується при нагріванні чистих металів і сплавів, у яких при випробуванні не проходить фазових перетворень. Якщо ж такі перетворення (особливо старіння) мають місце, характер зміни межі плинності з підвищенням температури стає неоднозначним. Залежно від змін структури тут можливий і спад та підйом, і складна залежність від температури. Наприклад, підвищення температури розтягування попередньо загартованого сплаву - пересиченого твердого розчину призводить спочатку до підвищення межі плинності аж до якогось максимуму, що відповідає найбільшій кількості дисперсних когерентних виділень продуктів розпаду твердого розчину, що йде в процесі випробувань, а при подальшому підвищенні температури буде знижуватися через втрату когерентності частинок з матрицею та їх коагуляції.
Межа міцності.Після проходження точки sна діаграмі розтягування (див. рис. 2.45) у зразку йде інтенсивна пластична деформація, яка раніше була докладно розглянута. До точки "в" робоча частина зразка зберігає початкову форму. Подовження тут рівномірно розподіляється за розрахунковою довжиною. У точці “в ” ця макрорівномірність пластичної деформації порушується. В якійсь частині зразка, зазвичай поблизу концентратора напруги, який був уже у вихідному стані або утворився при розтягуванні (найчастіше в середині розрахункової довжини), починається локалізація деформації. Їй відповідає місцеве звуження поперечного перерізу зразка – утворення шийки.
Можливість значної рівномірної деформації та «відтягування» моменту початку утворення шийки у пластичних матеріалах обумовлені деформаційним зміцненням. Якби його не було, то шийка почала б формуватися відразу ж після досягнення межі плинності. На стадії рівномірної деформації збільшення напруги перебігу через деформаційне зміцнення повністю компенсується подовженням та звуженням розрахункової частини зразка. Коли ж приріст напруги через зменшення поперечного перерізу стає більшим за приріст напруги через деформаційне зміцнення, рівномірність деформації порушується і утворюється шийка.
Шийка розвивається від точки "в" аж до руйнування в точці k(див. рис. 2.45), одночасно знижується зусилля, що діє на зразок. За максимальним навантаженням ( Pв, рис. 2.44, 2.45) на первинній діаграмі розтягування розраховують тимчасовий опір(часто його називають межею міцностіабо умовною межею міцності)
σ в = P b / F 0 .
Для матеріалів, що руйнуються з утворенням шийки, в - це умовна напруга, що характеризує опір максимальної рівномірної деформації.
Граничну міцність таких матеріалів σ не визначає. Це зумовлено двома причинами. По-перше, σ значно менше істинної напруги Sв, що діє у зразку в момент досягнення точки “в” . До цього моменту відносне подовження досягає вже 10-30%, площа поперечного перерізу зразка. Fв «F0.Тому
Sв = Pв / Fв > σ в = Pв / F0.
Але так звана істинна межа міцності Sтакож не може бути характеристикою граничної міцності, оскільки за точкою "в" на діаграмі розтягування (див. рис. 2.45) справжній опір деформації продовжує зростати, хоча зусилля падає. Справа в тому, що це зусилля на ділянці kконцентрується на мінімальному перерізі зразка в шийці, а площа його зменшується швидше ніж зусилля.
Малюнок 2. 50- Діаграма справжньої напруги при розтягуванні
Якщо перебудувати первинну діаграму розтягування в координатах S-eабо S-Ψ(рис. 2.50), то виявиться, що Sбезперервно збільшується в міру деформації до моменту руйнування. Крива на рис. 2.50. дозволяє проводити суворий аналіз деформаційного зміцнення та властивостей міцності при розтягуванні. Діаграма справжньої напруги (див. рис. 2.50) для матеріалів, що руйнуються з утворенням шийки, має ряд цікавих властивостей. Зокрема, продовження прямолінійної ділянки діаграми за точку “в” до перетину з віссю напруг дозволяє приблизно оцінити величину σ, а екстраполяція прямолінійної ділянки до точки c, що відповідає Ψ = 1 (100%) дає S c= 2Sв.
Діаграма на рис. 2.50 якісно відрізняється від раніше розглянутих кривих деформаційного зміцнення, оскільки під час аналізу останнього ми обговорювали лише стадію рівномірної деформації, де зберігається схема одновісного розтягування, тобто. раніше аналізувалися діаграми справжньої напруги, відповідні II типу кривих.
На рис. 2.50 видно, що Sі тим більше σ в набагато менше справжнього опору розриву (S k = P k / F k) що визначається як відношення зусилля в момент руйнування до максимальної площі поперечного перерізу зразка в місці розриву F k. Здавалося б, величина S kє найкращою характеристикою граничної міцності матеріалу. Але й вона умовна. Розрахунок S kприпускає, що в момент руйнування в шийці діє схема одновісного розтягування, хоча насправді там виникає об'ємний напружений стан, який взагалі не можна охарактеризувати однією нормальною напругою (саме тому зосереджена деформація не розглядається в теоріях деформаційного зміцнення при одновісному розтягуванні). Насправді, S kвизначає лише якесь середнє поздовжнє напруга в останній момент руйнації.
Сенс та значення тимчасового опору, а також Sв і S kістотно змінюються під час переходу від розглянутої діаграми розтягування (див. рис. 2.44, III) до перших двох (див. рис. 2.44, I,II). За відсутності пластичної деформації (див. рис. 2.44, I) σ в ≈ Sв ≈ S k. У цьому випадку максимальне перед руйнуванням навантаження Pвизначає так званий дійсний опір відриву або тендітну міцність матеріалу. Тут у вже не умовна, а має певний фізичний зміст характеристика, яка визначається природою матеріалу та умовами тендітного руйнування.
Для відносно малопластичних матеріалів, що дають криву розтягування, показану на рис. 2.44, II, σ - це умовна напруга в момент руйнування. Тут Sв = S kі досить суворо характеризує граничну міцність матеріалу, оскільки зразок рівномірно деформується за умов одновісного розтягування до розриву. Різниця в абсолютних значеннях у і Sзалежить від подовження перед руйнуванням, прямої пропорційної залежності між ними немає.
Таким чином, залежно від типу і навіть кількісних характеристик діаграм розтягування одного типу фізичний сенс в, Sв і S kможе значно, котрий іноді принципово змінюватися. Всі ці напруження часто відносять до розряду характеристик граничної міцності або опору руйнуванню, хоча в ряді важливих випадків у Sнасправді визначають опір значної пластичної деформації, а не руйнування. Тому при зіставленні в, Sв і S kрізних металів і сплавів слід завжди враховувати конкретний зміст цих властивостей кожного матеріалу залежно від виду його діаграми розтягування.
На сьогоднішній день існує декілька методик випробування зразків матеріалів. При цьому одним із найпростіших і показових є випробування на розтяг (на розрив), що дозволяють визначити межу пропорційності, межу плинності, модуль пружності та інші важливі характеристики матеріалу. Так як найважливішою характеристикою напруженого стану матеріалу є деформація, то визначення значення деформації при відомих розмірах зразка і навантажень, що діють на зразок, дозволяє встановити вищевказані характеристики матеріалу.
Тут може виникнути питання: чому не можна визначити спротив матеріалу? Справа в тому, що абсолютно пружні матеріали, що руйнуються тільки після подолання певної межі - опору, існують лише в теорії. Насправді більшість матеріалів мають як пружні так і пластичні властивості, що це за властивості, розглянемо нижче на прикладі металів.
Випробування металів на розтяг проводяться згідно з ГОСТ 1497-84. Для цього використовуються стандартні зразки. Методика випробувань виглядає приблизно так: до зразка прикладається статичне навантаження, визначається абсолютне подовження зразка Δlпотім навантаження збільшується на деяке крокове значення і знову визначається абсолютне подовження зразка і так далі. З отриманих даних будується графік залежності подовжень від навантаження. Цей графік називається діаграмою напруги.
Малюнок 318.1. Діаграма напруги для сталевого зразка.
На даній діаграмі бачимо 5 характерних точок:
1. Межа пропорційності Р п(точка А)
Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі пропорційності дорівнюватиме:
σ п = Р п /F o (318.2.1)
Межа пропорційності обмежує ділянку пружних деформацій на діаграмі. На цій ділянці деформації прямо пропорційні напругам, що виражається законом Гука:
Р п = kΔl (318.2.2)
де k – коефіцієнт жорсткості:
k = EF/l (318.2.3)
де l – довжина зразка, F – площа перерізу, Е – модуль Юнга.
Модулі пружності
Головними характеристиками пружних властивостей матеріалів є модуль Юнг Е (модуль пружності першого роду, модуль пружності при розтягуванні), модуль пружності другого роду G (модуль пружності при зрушенні) і коефіцієнт Пуассон μ (коефіцієнт поперечної деформації).
Модуль Юнга Е показує ставлення нормальних напруг до відносних деформацій у межах пропорційності
Модуль Юнга також визначається дослідним шляхом при випробуванні стандартних зразків на розтяг. Так як нормальні напруги в матеріалі рівні силі, поділеної на початкову площу перерізу:
σ = Р/F про (318.3.1), (317.2)
а відносне подовження ε - відношенню абсолютної деформації до початкової довжини
ε пр = Δl/l o (318.3.2)
то модуль Юнга згідно із законом Гука можна виразити так
Е = σ/ε пр = Pl o /F o Δl = tg α (318.3.3)
Малюнок 318.2. Діаграми напруги деяких сплавів металів
Коефіцієнт Пуассона μ показує відношення поперечних деформацій до поздовжніх
Під впливом навантажень як збільшується довжина зразка, а й зменшується площа аналізованого поперечного перерізу (якщо припустити, що обсяг матеріалу області пружних деформацій залишається постійним, тобто збільшення довжини зразка призводить до зменшення площі перерізу). Для зразка, що має круглий переріз, зміну площі перерізу можна виразити так:
ε поп = Δd/d o (318.3.4)
Тоді коефіцієнт Пуассона можна виразити наступним рівнянням:
μ = ε поп /ε пр (318.3.5)
Модуль зсуву G показує відношення дотичних напруг тдо кута зсуву
Модуль зсуву G може бути визначений досвідченим шляхом при випробуванні зразків кручення.
При кутових деформаціях перетин, що розглядається, переміщається не лінійно, а під деяким кутом - кутом зсуву γ до початкового перерізу. Так як дотичні напруги рівні силі, поділеної на площу в площині якої діє сила:
т= Р/F (318.3.6)
а тангенс кута нахилу можна виразити відношенням абсолютної деформації Δlдо відстані h від місця фіксації абсолютної деформації до точки, щодо якої здійснювався поворот:
tgγ = Δl/h (318.3.7)
то при малих значеннях кута зсуву модуль зсуву можна виразити наступним рівнянням:
G = т/γ = Ph/FΔl (318.3.8)
Модуль Юнга, модуль зсуву та коефіцієнт Пуассона пов'язані між собою таким відношенням:
Е = 2(1 + μ)G (318.3.9)
Значення постійних Е, G та µ наводяться у таблиці 318.1
Таблиця 318.1. Орієнтовні значення пружних характеристик деяких матеріалів
Примітка:Модулі пружності є постійними величинами, проте технології виготовлення різних будівельних матеріалів змінюються і більш точні значення модулів пружності слід уточнювати за нормативними документами, що діють зараз. Модулі пружності бетону залежать від класу бетону і тому не наводяться.
Пружні характеристики визначаються для різних матеріалів у межах пружних деформацій, обмежених на діаграмі напруги точкою А. Тим часом на діаграмі напруг можна виділити ще кілька точок:
2. Межа пружності Р у
Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі пружності дорівнюватиме:
σ у = Р у /F o (318.2.4)
Межа пружності обмежує ділянку на якому пластичні деформації, що з'являються, знаходяться в межах деякої малої величини, нормованої технічними умовами (наприклад 0,001%; 0,01% і т. д.). Іноді межа пружності позначається відповідно до допуску 0.001, 0.01 і т.д.
3. Межа плинності Р т
σ т = Р т / F o (318.2.5)
Обмежує ділянку діаграми, на якому деформація збільшується без значного збільшення навантаження (стан плинності). При цьому по всьому об'єму зразка відбувається частковий розрив внутрішніх зв'язків, що призводить до значних пластичних деформацій. Матеріал зразка повністю не руйнується, але його початкові геометричні розміри зазнають незворотних змін. На відшліфованій поверхні зразків спостерігаються постаті плинності - лінії зрушень (відкриті професором В. Д. Черновим). Для різних металів кути нахилу цих ліній різні, але в межах 40-50 о. У цьому частина накопиченої потенційної енергії незворотно витрачається на частковий розрив внутрішніх зв'язків. При випробуванні на розтягнення прийнято розрізняти верхню і нижню межі плинності - відповідно найбільшу і найменшу з напруг, при яких зростає пластична (залишкова) деформація при майже постійній величині навантаження, що діє.
На діаграмах напруг відзначено нижню межу плинності. Саме ця межа для більшості матеріалів береться за нормативний опір матеріалу.
Деякі матеріали не мають вираженого майданчика плинності. Для них за умовну межу плинності 0.2 приймається напруга, при якому залишкове подовження зразка досягає значення ε 0,2%.
4. Межа міцності Р макс (тимчасовий опір)
Нормальна напруга в поперечному перерізі зразка при досягненні межі міцності дорівнюватиме:
σ = Р макс /F o (318.2.6)
Після подолання верхньої межі плинності (на діаграмах напруги не показаний) матеріал знову починає чинити опір навантаженням. За максимального зусилля Р макс починається повне руйнування внутрішніх зв'язків матеріалу. При цьому пластичні деформації концентруються в одному місці, утворюючи у зразку так звану шийку.
Напруга при максимальному навантаженні називається межею міцності або тимчасовим опором матеріалу.
У таблицях 318.2 - 318.5 наведено орієнтовні величини меж міцності для деяких матеріалів:
Таблиця 318.2Орієнтовні межі міцності на стиск (тимчасові опори) деяких будівельних матеріалів.
Примітка: Для металів та сплавів значення меж міцності слід визначати відповідно до нормативних документів. Значення тимчасових опорів деяких марок стали можна подивитися .
Таблиця 318.3. Орієнтовні межі міцності (тимчасові опори) для деяких пластмас
Таблиця 318.4. Орієнтовні межі міцності для деяких волокон
Таблиця 318.5. Орієнтовні межі міцності для деяких деревних порід
5. Руйнування матеріалу Р р
Якщо подивитися на діаграму напруги, то складається враження, що руйнування матеріалу настає при зменшенні навантаження. Таке враження створюється тому, що в результаті утворення шийки значно змінюється площа перерізу зразка в районі шийки. Якщо побудувати діаграму напруг для зразка з маловуглецевої сталі в залежності від площі перерізу, що змінюється, то буде видно, що напруги в аналізованому перерізі збільшуються до деякої межі:
Малюнок 318.3. Діаграма напруг: 2 - по відношенню до початкової площі поперечного перерізу, 1 - по відношенню до площі перетину, що змінюється, в районі шийки.
Проте більш правильним є розгляд характеристик міцності матеріалу по відношенню до площі початкового перерізу, так як розрахунками на міцність зміна початкової геометричної форми рідко передбачається.
Однією з механічних характеристик металів є відносна зміна площі поперечного перерізу в районі шийки, що виражається у відсотках:
ψ = 100(F o - F)/F o (318.2.7)
де F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка (площа поперечного перерізу до деформації), F - площа поперечного перерізу в районі "шийки". Чим більше значення ψ, тим яскравіше виражені пластичні властивості матеріалу. Чим менше значення ψ, тим більша крихкість матеріалу.
Якщо скласти розірвані частини зразка та виміряти його подовження, то з'ясується, що воно менше подовження на діаграмі (на довжину відрізка NL), оскільки після розриву пружні деформації зникають і залишаються лише пластичні. Розмір пластичної деформації (подовження) також є важливою характеристикою механічних властивостей матеріалу.
За межами пружності, аж до руйнування, повна деформація складається з пружної та пластичної складових. Якщо довести матеріал до напруг, що перевищують межу плинності (на рис. 318.1 деяка точка між межею плинності і межею міцності), і потім розвантажити його, то у зразку залишаться пластичні деформації, але при повторному завантаженні через деякий час межа пружності стане вищою, оскільки в даному випадку зміна геометричної форми зразка в результаті пластичних деформацій стає ніби результатом дії внутрішніх зв'язків, а геометрична форма, що змінилася, стає початковою. Цей процес завантаження та розвантаження матеріалу можна повторювати кілька разів, при цьому властивості міцності матеріалу будуть збільшуватися:
Малюнок 318.4. Діаграма напруги при наклепі (похилі прямі відповідають розвантаженням і повторним завантаженням)
Така зміна властивостей міцності матеріалу, що отримується шляхом повторюваних статичних завантажень, називається наклепом. Проте при підвищенні міцності металу шляхом наклепу зменшуються його пластичні властивості, а крихкість збільшується, тому корисним зазвичай вважається відносно невелика наклеп.
Робота деформації
Міцність матеріалу тим вища, що більші внутрішні сили взаємодії частинок матеріалу. Тому величина опору подовженню, віднесена до одиниці обсягу матеріалу, може бути характеристикою його міцності. У цьому випадку межа міцності не є вичерпною характеристикою властивостей міцності даного матеріалу, так як він характеризує тільки поперечні перерізи. При розриві руйнуються взаємозв'язки по всій площі перерізу, а при зрушеннях, що відбуваються за будь-якої пластичної деформації, руйнуються лише місцеві взаємозв'язки. На руйнування цих зв'язків витрачається певна робота внутрішніх сил взаємодії, яка дорівнює роботі зовнішніх сил, що витрачається на переміщення:
А = РΔl/2 (318.4.1)
де 1/2 - результат статичної дії навантаження, що зростає від 0 до Р в момент її застосування (середнє значення (0 + Р)/2)
При пружній деформації робота сил визначається площею трикутника ОАВ (див. рис. 318.1). Повна робота, витрачена на деформацію зразка та його руйнування:
А = ηР макс Δl макс (318.4.2)
де - коефіцієнт повноти діаграми, рівний відношенню площі всієї діаграми, обмеженої кривою АМ і прямими ОА, MN і ON, до площі прямокутника зі сторонами 0Р макс (по осі Р) і Δl макс (пунктир на рис. 318.1). При цьому треба відняти роботу, що визначається площею трикутника MNL (що відноситься до пружних деформацій).
Робота, що витрачається на пластичні деформації та руйнування зразка, є однією з важливих характеристик матеріалу, що визначають ступінь його крихкості.
Деформація стиснення
Деформації стиснення подібні до деформацій розтягування: спочатку відбуваються пружні деформації, до яких за межею пружності додаються пластичні. Характер деформації та руйнування при стисканні показаний на рис. 318.5:
Малюнок 318.5
а – для пластичних матеріалів; б – для крихких матеріалів; в - для дерева вздовж волокон, г - для дерева поперек волокон.
Випробування на стиск менш зручні визначення механічних властивостей пластичних матеріалів через труднощі фіксування моменту руйнації. Методи механічних випробувань металів регламентуються ГОСТ 25503-97. При випробуванні на стиск форми зразка та його розміри можуть бути різними. Орієнтовні значення меж міцності різних матеріалів наведені у таблицях 318.2 - 318.5.
Якщо матеріал знаходиться під навантаженням при постійній напрузі, то до миттєвої пружної деформації поступово додається додаткова пружна деформація. При повному знятті навантаження пружна деформація зменшується напруг, що пропорційно зменшується, а додаткова пружна деформація зникає повільніше.
Додаткова пружна деформація, що утворилася, при постійній напрузі, яка зникає не відразу після розвантаження, називається пружною післядією.
Вплив температури на зміну механічних властивостей матеріалів
Твердий стан – не єдиний агрегатний стан речовини. Тверді тіла існують лише у певному інтервалі температур та тисків. Підвищення температури призводить до фазового переходу з твердого стану рідке, а сам процес переходу називається плавленням. Температури плавлення, як і інші фізичні характеристики матеріалів, залежать від багатьох факторів і визначаються дослідним шляхом.
Таблиця 318.6. Температури плавлення деяких речовин
Примітка: У таблиці наведені температури плавлення при атмосферному тиску (крім гелію).
Пружні та характеристики міцності матеріалів, наведені в таблицях 318.1-318.5, визначаються як правило при температурі +20 про С. ГОСТом 25.503-97 допускається проводити випробування металевих зразків в діапазоні температур від +10 до +35 про С.
При зміні температури змінюється потенційна енергія тіла, отже, змінюється значення внутрішніх сил взаємодії. Тому механічні властивості матеріалів залежить не тільки від абсолютної величини температури, а й від тривалості її дії. Для більшості матеріалів при нагріванні характеристики міцності (σ п, σ т і σ в) зменшуються, при цьому пластичність матеріалу збільшується. При зниженні температури характеристики міцності збільшуються, але при цьому підвищується крихкість. При нагріванні зменшується модуль Юнг Е, а коефіцієнт Пуассона збільшується. При зниженні температури відбувається зворотний процес.
Малюнок 318.6. Вплив температури на механічні властивості вуглецевої сталі.
При нагріванні кольорових металів і сплавів з них міцність їх відразу падає і при температурі близької до 600 ° С практично втрачається. Виняток становить алюмотермічний хром, межа міцності якого зі збільшенням температури збільшується і при температурі, що дорівнює 1100° С досягає максимуму σ в1100 = 2σ в20 .
Характеристики пластичності міді, мідних сплавів та магнію зі зростанням температури зменшуються, а алюмінію – збільшуються. При нагріванні пластмас і гуми їхня межа міцності різко знижується, а при охолодженні ці матеріали стають дуже крихкими.
Вплив радіоактивного опромінення на зміну механічних властивостей
Радіоактивне опромінення по-різному впливає різні матеріали. Опромінення матеріалів неорганічного походження за своїм впливом на механічні характеристики та характеристики пластичності подібно до зниження температури: зі збільшенням дози радіоактивного опромінення збільшується межа міцності і особливо межа плинності, а характеристики пластичності знижуються.
Опромінення пластмас також призводить до збільшення крихкості, причому на межу міцності цих матеріалів опромінення робить різний вплив: на деяких пластмасах воно майже не позначається (поліетилен), в інших викликає значне зниження межі міцності (катамен), а в третіх - підвищення межі міцності (селектрон ).
