Физические основы прочности металлов

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение	3
1  Физические основы прочности металлов	4
2 Длительная прочность	10
Заключение	13
Список использованных источников	15

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.

Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

Пластичность и прочность относятся к важнейшим свойствам твердых тел.

Оба эти свойства, взаимно связанные друг с другом, определяют собой способность твердых тел противостоять необратимому формоизменению и макроскопическому разрушению, т. е. разделению тела на части в результате возникающих в нем под воздействием внешних или внутренних силовых полей микроскопических трещин.

Для технолога очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанными на пластическом деформировании металла.

Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

По показателям прочности, пластичности и т. д. производят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

В физике и технике пластичность — способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки.

Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.

Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению [1].

 

1 Физические основы прочности металлов

 

Прочность является фундаментальным свойством твердых тел. Она определяет способность тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения [2].

Конечной целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов создания новых материалов с заданными свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.

Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы [3]:

- непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) - олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

- прочные (от 50 до 500 МПа) - магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

- высокопрочные (более 500 МПа) - молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 1.

Таблица 1 - Прочность металлов

Металл	Временное сопротивление, МПа	Металл	Временное сопротивление, МПа
Титан	580	Цинк	120-140
Железо	200-300	Алюминий	80-120
Медь	200-250	Золото	120
Магний	120-200	Олово	27
Серебро	150	Свинец	18

 

Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.

Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0.

Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l0/d0 = 10 или короткие с l0/d0 = 5 (где d0 - исходный диаметр образца).

На рисунке 1 приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.

Рисунок 1 - Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

До точки а эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:

σ = P/Fo,                     (1)

где  Р - приложенная нагрузка;

Fo - начальная площадь поперечного сечения образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:

σпц = Рпц/F0.                                        (2)

Так как при определении положения точка а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности, под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

σ = Е,                     (3)

где    Е = (∆l/lо)*100 % - относительная деформация;

∆l - абсолютное удлинение, мм;

l0 - начальная длина образца, мм.

Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg α), характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.

Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

Теоретический предел упругости - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

σуп = Руп/F0.                             (4)

Если действующее напряжение в детали (конструкции) меньше σуп, то материал будет работать в области упругих деформаций.

Ввиду трудности определения σуп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например σ0,005 и т. д.

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

Предел текучести - физический и условный- характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

Физический предел текучести - напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

σт = PТ/F0.                    (5)

Ha диаграмме растяжения пределу  текучести соответствует горизонтальный  участок с - d, когда наблюдается  пластическая деформация (удлинение) - течение металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рисунок 2):

Σ0,2 =Р0,2/F0                    (6)

Рисунок 2 - Начальная расчетная длина образца

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование шейки - сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную.

Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

σв = Pв/F0.                    (7)

По своей физической сущности σв характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации.

За точкой В (рисунок 1) в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке Pk происходит разрушение образца.

Истинное сопротивление разрушению - максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца:

SK = Pк/FK,                    (8)

где  FK - конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Несмотря на то что нагрузка Рк<Рв, вследствие образования шейки FK<F0, и поэтому по величине SК значительно больше, чем σв.

Истинные напряжения. Рассмотренные показатели прочности: σт, σв и др., за исключением Sk, являются условными напряжениями, так как при их определении соответствующие нагрузки относят к начальной площади сечения образца F0, хотя последняя постепенно уменьшается по мере деформации образца. Более точное представление о напряжениях в образце дают диаграммы истинных напряжений (рисунок 3).

Рисунок 3 - Диаграмма истинных (S) и условных (σ) напряжений: ψ - поперечное сужение образца

Истинные напряжения Si = Pi/Fi определяют по нагрузке Pi и площади поперечного сечения Fi в данный момент испытания. Примерно до точки b (рисунок 3) т. е. точки В на рисунке 1 различие между истинными и условными напряжениями невелико и SB = σв. Затем истинные напряжения увеличиваются, достигая максимального значения Sk в момент, предшествующий разрушению.

При испытании на растяжение кроме характеристик прочности определяют также характеристики пластичности [4].

2 Длительная прочность

 

Под длительной прочностью понимается сопротивление металлов и сплавов механическому разрушению под действием постоянной длительной нагрузки, т. е. в условиях ползучести. Количественной ее характеристикой является предел длительной прочности, т. е. наименьшее напряжение, вызывающее разрушение при заданных техническими условиями температуре и времени [5].

 Сталь 18-8 обладает более высокой длительной прочностью по сравнению со сталями ферритного и мартенситного классов. По химическому составу она находится на границе аустенитной области и при очень малом содержании углерода может иметь ферритную составляющую. При изучении влияния углерода на структуру и жаропрочность необходимо учитывать и влияние азота, который, как и углерод, является сильным аустенито образующим элементом. Поэтому часто при изучении влияния углерода учитывают содержание азота и изменение каких-либо свойств определяют в зависимости от их суммы.

Длительной прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению в условиях длительного статического нагружения. При испытаниях на длительную прочность образец проходит все стадии ползучести вплоть до разрушения. Испытания на длительную прочность отличаются от испытаний на ползучесть только тем, что образец доводится до разрушения, а регистрация деформации в этом случае не обязательна [6].

Мартенситные стали с 12 % Сг отличаются высокой длительной прочностью (при температурах до 600 °С) и относительно низким пределом ползучести.

Исследована проблема определения свойств матрицы и установлено соответствие между длительной прочностью при сдвиге меди, испытанной независимо, и меди, испытанной в образцах на вытаскивание. Образцы на вытаскивание были сделаны так: высверливали отверстие в вольфрамовой головке, соединяли с вольфрамовой проволокой диаметром в 0,010 дюйм и с медной OFHC втулкой и проводили запрессовку при соответствующих условиях. Такие образцы на вытаскивание сконструированы для того, чтобы попытаться воспроизвести условия, возникающие вокруг одного волокна в композите с правильным порядком чередования разрывных волокон. Изменением диаметра высверленного отверстия могут быть воспроизведены условия различного объемного содержания волокна. При 649 °С соответствие хорошее, но его не наблюдается при 816 °С. Последнее есть ясное указание на возможные ошибки, которые могут появиться, если использовать результаты, полученные лишь на одной серии экспериментальных устройств, для предсказания поведения материала при других условиях.