Деформация, механические свойства и разрушение металлов (Лекция 4)

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
При пластической деформации одна часть кристалла смещается сдвигом по отношению к другим его частям, причем такая деформация является необратимой и сохраняется после снятия нагрузки. В результате пластической деформации кристалл может существенно изменить размеры и форму.
Чем больше обратимые деформации, которые можно вызвать в материале, тем выше упругость этого материала. Способность материала претерпевать большие необратимые деформации говорит о его высокой пластичности.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Упругое растяжение кристалла
σ = Eε, E – модуль нормальной упругости или модуль Юнга
Резина: Е= 0,5 МПа; алмаз: Е=1,2х 106МПа

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Упругий сдвиг в кристалле
τ = Gγ, G – модуль касательной упругости или
модуль сдвига

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
έ = με, μ – коэффициент Пуассона – безразмерный коэффициент пропорциональности, связывающий поперечную деформацию с продольной; модуль сдвига связан с модулем Юнга и коэффициентом Пуассона соотношением G = E/2(1+ μ). Модули упругости характеризуют жёсткость материала. Для металлов и металлических сплавов коэффициент Пуассона находится в пределах от 0,2 до 0,4.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
К определению напряжений
в кристалле
Расчёт нормальных и касательных напряжений в кристалле

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Следы скольжения на поверхности деформированного кристалла (линии Чернова – Людерса)

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Сдвиг в идеальном (бездефектном) кристалле

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Разрыв идеального (бездефектного) кристалла
Теоретическая прочность при отрыве для железа – 40 ГПа
Железо высокой чистоты, монокристалл – 50 МПа

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Прочностью называют способность материала сопротивляться необратимым (пластическим) деформациям и разрушению. Чем больше усилия, необходимые для того, чтобы вызвать пластическую деформацию и разрушение материала, тем он прочнее.
Согласно современным представлениям, пластическая деформация металлических материалов тесно связана с перемещением дислокаций. Различают два вида движения дислокаций - скольжение и переползание.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Движение краевой дислокации
τ - касательное напряжение

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Винтовая дислокация перемещается только скольжением , которое происходит перпендикулярно вектору Бюргерса. Если на пути винтовой дислокации встречается препятствие, она может продолжить скольжение в другой плоскости, такое скольжение называют поперечным

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Зависимость сопротивления металла деформации от плотности дислокаций в кристаллической решётке: 1 – теоретическая прочность, 2 – прочность монокристаллических «усов», 3 – прочность чистого неупрочнённого металла, 4 –прочность упрочнённых металлических сплавов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Стадии образования дислокации по механизму Франка-Рида
Стадии выгибания скользящей дислокации между частицами с образованием петель

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Схема скольжения и двойникования в кристалле
Металлы, имеющие решетку ОЦК или ГЦК, деформируются преимущественно путем скольжения дислокаций, а металлы с ГПУ решеткой - как скольжением, так и двойникованием.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Форма зерен поликристаллического металла:
а - до деформации; б - после деформации
Формирование кристаллографической текстуры в металлах, имеющих решетку ГПУ, проходит при меньших деформациях, чем в металлах с решетками ОЦК или ГЦК.

Как показывают рентгеноструктурные исследования, даже после значительной пластической деформации металлические образцы сохраняют свое кристаллическое строение (решетку). Тем не менее, в кристаллах возникает большое количество дефектов, которые серьезно влияют на физико-механические свойства материала: увеличивают его прочность и электросопротивление, уменьшают пластичность и плотность, изменяют магнитные, диффузионные и коррозионные свойства.
Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспеичвающих надёжную и длительную работу материала в условиях эксплуатации
Виды механических испытаний – статические, динамические.
Статические - испытания на растяжение, сжатие, изгиб, ползучесть, твёрдость.
Динамические – испытания на ударную вязкость, усталостные испытания.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Форма образца на разных стадиях испытания:
а) до испытания, б) на стадии пластической деформации, в) при образовании шейки, г)после разрыва

Предел упругости, σу – напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций, определённой заданной величины (0,001; 0,003; 0,005%);допуск на остаточную деформацию указывается в индексе при σу.
Условный предел текучести – условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает определённой величины (обычно 0,2% от рабочей длины образца – σ0,2).
Физический предел текучести, σт – условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке площадки текучести, когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки.
Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Предел прочности, σв – условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом.
Относительное остаточное удлинение, δ – характеристика пластичности материала, δ = (Lk – Lo)/Lo.
Относительное остаточное сужение, ψ - характеристика пластичности

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Диаграмма растяжения металлов, дающих площадку (а) и зуб (б) текучести

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Упрочнение металла в результате пластической деформации называют наклепом или нагартовкой
Схематическое изображение условной диаграммы растяжения (сплошная линия) и диаграммы истинных напряжений (пунктирная линия)

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Разрушение – разделение материала на части в результате распространения в нём трещин. Выделяют четыре типа разрушения: 1) хрупкое, 2) пластичное (вязкое), 3) усталостное, 4) разрушение при ползучести
Варианты диаграммы растяжения: а) высокопластичный (вязкий) металл, б) низкопластичный (хрупкий) металл

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Разрушающие трещины возникают на стадии изготовления изделий или появляются в процессе их эксплуатации. Дефекты первого вида называются технологическими, второго рода – эксплуатационными. Даже в таких ответственных изделиях как оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов размер технологических трещин достигает 50 мкм при изначальной толщине изделий 600-900 мкм!

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Образование трещины в результате слияния дислокаций

Критическое напряжение роста острой трещины длиной 2С (С – радиус трещины) – хрупкое разрушение
Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Уравнения Гриффитса
Критическое напряжение трещины для вязкого разрушения; величина γρ представляет собой сумму истинной поверхностной энергии и энергии, затраченной на пластическую деформацию

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Скорость распространения трещины в некоторых материалах (х 105см/сек)
в скобках – расчётные значения

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Типы пластического разрушения:
А – монокристаллы ГПУ-металлов,
Б – монокристаллы некоторых ГЦК-металлов (медь, серебро),
В – сплав медь-алюминий,
Г – поликристаллы высокопластичных ГЦК-металлов,
Д – менее пластичные поликристаллы (наиболее типичный излом)

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Типы хрупкого разрушения:
а) отрывом,
б) срезом

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Схема замедленного гидридного растрескивания
Гидриды у вершины трещины в наводороженном циркониевом сплаве

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Вязкость – способность металла или сплава поглощать работу внешних сил за счёт пластической его деформации.
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под действием циклических нагрузок. Различают малоцикловую (~ 104) и многоцикловую (~ 106) усталость.
Ползучесть – непрерывная пластическая деформация, происходящая при постоянной температуре и постоянном напряжении (постоянной нагрузке) в зависимости от времени.

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Жаропрочность — это способность металлического материала сопротивляться деформации и разрушению при кратковременном или длительном воздействии нагрузок при повышенных температурах.
Твёрдость – свойство материала сопротивляться пластической деформации при внедрении в него более твёрдого тела (индентора).
Предел выносливости или усталости – максимальное напряжение, при котором материал может выдержать, не разрушаясь, неограниченное число циклов нагружения.

Хладноломкость – способность материалов хрупко разрушаться при низких температурах, усиливающаяся с понижением температуры.
Красноломкость – охрупчивание сплавов при высоких температурах или горячем деформировании, вызванное оплавлением границ зёрен.
Ударная вязкость (КС) – работа удара, отнесённая к начальной площади поперечного сечения в месте расположения концентратора; характеризует сочетание прочностных свойств и пластичности материала – вязкость разрушения или трещиностойкость, т.е способность материала сопротивляться распространению острых трещин.
Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Зависимость разрушающего напряжения при растяжении от продолжительности нагружения твёрдого материала

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов
Т
Типичная кривая ползучести твёрдого материала

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов

Лекция 4 Деформация, механические свойства и разрушение металлов