Структура и свойства заготовок и деталей. Лекция 3

Лекция 3. Деформация и разрушение металлов. Механические свойства.
Высшая школа машиностроения
Физическая природа деформации
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.
Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Нормальные и касательные напряжения
Высшая школа машиностроения
Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Упругая деформация
Высшая школа машиностроения
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией оа
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений (нагрузки). Диаграмма растяжения

Модуль упругости
Высшая школа машиностроения
Зависимость между упругими напряжениями и деформацией описывается законом Гука:
P = kΔl, где к-коэффициент упругости (жесткости)
S – площадь сечения L – длина
относительное удлинение
- напряжение в поперечном сечении S
закон Гука в относительных величинах
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Модуль упругости является важнейшей характеристикой упругих свойств металла. По физической природе величина модуля упругости рассматривается как мера прочности связей между атомами в твердом теле.
Эта механическая характеристика структурно нечувствительна, т. е. термическая обработка или другие способы изменения структуры не изменяют модуля упругости, а повышение температуры, изменяющее межатомные расстояния, снижает модуль упругости
Р

Упругая деформация и хрупкое разрушение
Высшая школа машиностроения
Если нормальные напряжения достигают значения, достаточного для преодоления сил межатомных связей, то наблюдается хрупкое разрушение путем отрыва
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Схема упругой деформации и хрупкого разрушения под действием упругих напряжений а – ненапряженная решетка металла; б – упругая деформация; в, г – хрупкое разрушение в результате отрыва

Пластическая деформация
Высшая школа машиностроения
Пластической называется остаточная деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений а – ненапряженная решетка; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация; д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Способы пластической деформации монокристаллов
Высшая школа машиностроения
Деформация скольжением
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение, и характер их деформации зависит от типа кристаллической структуры и от наличия несовершенств в этой структуре.
Рассмотрим пластическую деформацию в монокристалле.
Пластическая деформация может протекать под действием касательных напряжений и может осуществляться двумя способами.
Одни слои атомов кристалла скользят по другим слоям, причем они перемещаются на дискретную величину, равную целому числу межатомных расстояний.
В промежутках между полосами скольжения деформация не происходит. Твердое тело не изменяет своего кристаллического строения во время пластической деформации и расположение атомов в элементарных ячейках сохраняется
Плоскостями скольжения является кристаллографические плоскости с наиболее плотной упаковкой атомов.

Способы пластической деформации монокристаллов
Высшая школа машиностроения
Деформация двойникованием
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Двойникование – поворот одной части кристалла в положение симметричное другой его части. Плоскостью симметрии является плоскость двойникования.
Двойникование чаще возникает при пластической деформации кристаллов с объемно-центрированной и гексагональной решеткой, причем с повышением скорости деформации и понижением температуры склонность к двойникованию возрастает.
Двойникование может возникать не только в результате действия внешних сил, но и в результате отжига (рекристаллизации) пластически деформированного тела.
Сдвиг кристаллической решётки, деформированной двойникованием: a-a’–плоскость двойникования; d–параметр решётки; s–макросдвиг при двойниковании; n–не целое число
Двойникование требует бОльших напряжений, чем скольжение и происходит, когда скольжение не реализуется.
Выделение энергии сопровождается потрескиванием (напр., олово)

Дислокационный механизм пластической деформации
Высшая школа машиностроения
Перемещение дислокации в плоскости скольжения сопровождается разрывом и пересоединением межатомных связей. В кристалле без дислокаций сдвиг в плоскости скольжения требует одновременного разрыва всех межатомных связей.
В результате переме­щения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает. На по­верхности остается ступенька скольжения.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Схема межфазных границ:
а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные
Высшая школа машиностроения
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Причины торможения дислокаций:
высокая плотность дефектов кристаллической решетки:
дислокаций;
границ кристаллов;
межфазных границ;
других дефектов
внутренние напряжения, вызванные
образованием твердых растворов внедрения и замещения;
разницей параметров решетки когерентных фаз
Схема межфазных границ:
а) когерентные; б) полукогерентные; в) некогерентные
Твёрдые растворы: замещения (а) и внедрения (б)

Хрупкое и вязкое разрушение
Высшая школа машиностроения
Замечательные механические свойства металлов обусловлены тем, что за счет особенностей их строения, напряжение, вызывающее сдвиг одной части кристалла относительно другой, т.е. пластическую деформацию, достигается раньше, чем напряжение отрыва. За счет этого перемещения изменяется геометрия дефекта и концентрация напряжений уменьшается.
В случае хрупких (например, неметаллических) материалов пластической деформации не происходит, и при возникновении значительных локальных напряжений выше теоретического предела прочности наблюдается одновременный разрыв связей, то есть хрупкое разрушение.
В реальных металлах разрушение носит смешанный характер. Тем не менее разрушение делят на хрупкое и вязкое в зависимости от степени пластической деформации, предшествовавшей разрушению.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Хрупкое и вязкое разрушение
Высшая школа машиностроения
Концентрация напряжений К пропорциональна остроте дефекта и его длине:
К = 2√ I/ r,
Где I – длина дефекта; r – радиус закругления в его вершине
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Хрупкое и вязкое разрушение
Высшая школа машиностроения
Изменение энергии при росте трещины
При росте трещины высвобождается накопленная упругая энергия. При определенном размере трещины эта энергия превышает работу образования новых поверхностей и трещина развивается самопроизвольно без дополнительного подвода энергии. Размер трещины, после которого выполняется это условие, и является критическим
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Хрупкое и вязкое разрушение
Высшая школа машиностроения
хрупкая а) и вязкая б) трещины
Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.
Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.
По излому можно определить характер разрушения.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:
статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Диаграмма растяжения. Схема определения условного предела текучести
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению
Предел пропорциональности (σпц) – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.
σпц = Pпц / F0 ,
где F0 – площадь поперечного сечения образца
Условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).
В обозначении указывается значение остаточной деформации σ0,005.
σ0,005 = P0,005 / F0
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.
Физический предел текучести σт – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов
σт = PT / F0
Условный предел текучести σ0,2 – это напряжение вызывающее остаточную деформацию 0,2%
σ0,2 = P0,2 / F0
Равномерная по всему объему пластическая деформация продолжается до значения предела прочности.
В точке в, в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утонение образца.
Предел прочности σВ – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву)
σВ = PВ / F0
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Истинное сопротивление разрушению
Высшая школа машиностроения
Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца .
Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.
относительное удлинение. δ = ( l - l0 ) / l0 x 100 , %
l и l0 – начальная и конечная длина образца.
– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.
ϕ относительное сужение
ϕ = ( F0 – F ) / F0 x 100 , %
F0 - начальная площадь поперечного сечения
F -площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.
Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой, например, при листовой штамповке.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Механические свойства и способы их определения
Высшая школа машиностроения
Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
В первоначальном положении маятник имеет потенциальную энергию Ао; при свободном падении маятника часть его энергии расходуется на разрушение образца. С учётом этого на разрушение образца он имеет запасённую энергию Азап.. Оставшуюся (неизрасходованную часть энергии) Аост. определяют по вылету маятника после разрушения образца, по шкале угломера, протарированного в килограммометрах.
Работа, затраченная на разрушение образца, находится как разность:
A = Aзап. − Аост., а величина ударной вязкости (Дж/см2):
KCU = A/F0

Хладноломкость
Высшая школа машиностроения
Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО
Предел текучести Sт существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву Sот не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.
При температуре ниже Тн сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур
Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.