Сжатие растяжение сдвиг изгиб металла
Упругая и пластическая деформации металлов
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил (нагрузки) — внешних или возникающих при различных физико-механических процессах, проходящих в самом теле. Наиболее простые виды деформации тела: растяжение-сжатие, сдвиг, изгиб, кручение, (рис. 3.1).
Деформация может быть обратимой, т.е. исчезать после снятия нагрузки, вызвавшей ее, и необратимой — оставаться после удаления сил, под действием которых она возникла. Обратимая деформация называется упругой, а необратимая — пластической (остаточной) деформацией.
Наиболее наглядное представление о различных стадиях процесса деформации можно получить из диаграммы деформации тела под воздействием возрастающей нагрузки, которая строится по результатам опыта в координатах деформация — сила (рис. 3.2). Для металлов и их сплавов диаграмма деформации имеет два характерных участка: в на-
Рис. 3.1. Изменение расстояния между точками Л и В при различных видах деформации:
а — растяжение; 6 — сжатие; в — сдвиг узельных атомов в соседние междоузлия
Рис. 3.2. Схема процесса деформации
чальной стадии нагружения до определенной нагрузки макроскопическая деформация возрастает по линейному закону (закон Гука), а затем зависимость между силой и деформацией становится криволинейной. Кривая деформации практически обрывается в тот момент, когда происходит лавинное разрушение тела и вследствие этого нагрузка очень быстро спадает.
Если на первой стадии нагружения приостановить рост силы, а затем снять ее, то деформация в макромасштабе практически полностью исчезает. При снятии же нагрузки на второй стадии исчезает только упругая часть деформации. В соответствии с этим весь процесс деформации разделяют на три последовательно проходящие одна за другой стадии (рис. 3.2):
- 1) стадия упругих деформаций — зависимость между силой и деформацией определяется законом Гука (линейная зависимость между напряжением и деформацией 5 в соответствии с законом пропорциональности — а = Е5) и зависит от упругих свойств материала, так как Е — модуль нормальной упругости, который характеризует скорость нарастания напряжения с увеличением упругой деформации;
- 2) стадия упруго-пластических деформаций — зависимость между силой и деформацией определяется кривой, характер которой зависит от свойств материала, условий нагружения и выбора координат диаграммы деформации;
- 3) стадия разрушения.
Такое разделение процесса деформации условно, поскольку указанные стадии невозможно четко разграничить.
Так, в макроскопически упругой области обнаруживается пластическая деформация отдельных зерен поликристалли- ческого металла. Эта неоднородность деформации сохраняется и в пластической области. Поэтому задолго до полного разрушения даже довольно грубыми методами (например, наблюдая поверхность излома), можно обнаружить на отдельных его участках трещины разрушения (см. рис. 2.5).
Нагрузки по характеру изменений во времени подразделяют на статические и динамические. Статические нагрузки характеризуются малой скоростью изменения направления и места приложения, поэтому их принимают не зависящими от времени; динамические нагрузки характеризуются большой скоростью изменения направления или точки приложения.
Рис. 3.3. Образование напряжений при приложении силы Р к площади S: а — нормальные напряжения растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); т — касательные напряжения
Для проведения расчетов на прочность конструкций или их элементов введено понятие напряжений, характеризующее внутренние силы, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения тела. Так как сила РУ приложенная к некоторой площадке S обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, возникают нормальные (а) и касательные (т) напряжения (рис. 3.3). Опытное изучение напряженного состояния проводится методом тензометрии, а также с помощью оптических методов (например, поляризационно-оптического).
Напряжения вызываются разными причинами, поэтому различают:
- • временные напряжения обусловлены действием внешней нагрузки, исчезают после ее снятия;
- • остаточные внутренние напряжения возникают и уравновешиваются внутри тела без внешней нагрузки, вызывают деформацию материала;
- • тепловые (термические) напряжения возникают при нагреве или охлаждении тела из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев и наличия неравномерности температурного поля;
- • структурные (фазовые) напряжения возникают при кристаллизации, деформации или неоднородном протекании фазовых превращений по объему тела.
Упругая деформация (устраняется после снятия нагрузки) влияет на свойства, форму, структуру, размер тела. Пластическая деформация (не устраняется после снятия нагрузки) изменяет форму, размер, структуру, свойства тела и в моно- и поликристаллах осуществляется за счет скольжения и двойникования.
Скольжение (рис. 3.4) — сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположением атомов. Механизм скольжения — дислокационный, т.е. связан с движением дислокаций.
Рис. 3.4. Схемы пластической деформации скольжением (я) и дислокационного пластического сдвига:
6 — положение дислокации до скольжения; в — изменение положения дислокации при деформации; г — выход дислокации на поверхность кристалла; А—А — плоскость скольжения; напряжение сдвига; 1—6,1’—6′ — расположение атомов по обе стороны от плоскости скольжения
Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения. Число систем скольжения зависит от типа решетки — у металлов с ГЦК решеткой (y-Fe, Си, А1 и др.) 12 эквивалентных систем скольжения; с ОЦК решеткой — 48; с ГПУ решеткой (Mg, Zn и др.) — 3. Поэтому эти металлы менее пластичны, чем металлы с ГЦК и ОЦК решетками.
В идеальном кристалле, без дефектов структуры, в скольжении одновременно участвуют все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Требуемое критическое касательное напряжение называется теоретической прочностью кристалла. В реальном кристалле пластическая деформация происходит последовательным перемещением дислокаций на одно межатомное расстояние (рис. 3.4), что требует напряжения значительно меньше теоретического значения. При выходе дислокаций на поверхность кристалла одна его часть сдвигается относительно другой на одно межатомное расстояние. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу, т.е. пластической деформации.
Скольжение дислокаций не связано с диффузией (не происходит массопереноса), поэтому и при отрицательных температурах, когда скорость диффузии мала, дислокации перемещаются сравнительно легко.
Двойникование (рис. 3.5) — переориентация части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой
Рис. 35. Схемы пластической деформации двойнико- ванием (а, б) и полностью двойникованные мартенситные кристаллы (в), X G00:
- 1 — плоскость двойникования;
- 2 — двойники; т — напряжение
сдвига части (зеркальное отражение). Наблюдается в кристаллических решетках ОЦК, ГЦК и ГПУ при больших степенях деформации.
В поликристалле процессы скольжения и двойникова- ния идут в каждом зерне. Передача деформации от зерна к зерну происходит эстафетным путем. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен.
Пластическое деформирование изменяет форму кристаллов — зерна вытягиваются в направлении приложения силы, образуя волокнистую структуру (рис. 3.6), и происходит образование предпочтительной кристаллографической ориентировки, которая называется текстурой деформации. Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т.д.)
Рис. 3.6. Схема микроструктуры до и после деформации (я); б — микроструктура монокристалла кремнистого железа (е ~ 1%):
А и Б — плоские ряды винтовых дислокаций разного знака, X 20 000
Пластическая деформация вызывает изменение структуры и свойств поликристаллического металла. Повышение плотности дислокаций (от р = 108 см-2 до р = 1012 см-2) и других дефектов кристаллического строения затрудняют движение дислокаций — увеличивается сопротивление деформации, т.е. уменьшается пластичность и повышается прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислокаций. Упрочнение (повышение прочности) металла под действием пластической деформации называется наклепом или нагартовкой. Пластическая деформация изменяет не только механические, но и другие свойства материала (рис. 3.7, а). С увеличением степени деформации возрастает электросопротивление, коэрцитивная сила, коррозия. Однако ударная вязкость, теплопроводность, магнитная проницаемость резко падают.
Рис. 3.7. Зависимость механических свойств металла (предела прочности ав, условного предела текучести ст0 2 и относительного удлинения б) от степени деформации е (а) и схемы образования трещины при слиянии дислокаций у препятствия (б) и пересечении двух плоскостей скольжения (в); разрушение образца стали 5ХНМ после электроэрозионной обработки при растяжении (г): в верхней части хрупкое разрушение, в нижней — вязкое
Источник
Растяжение
Испытание на растяжение позволяет получить достаточно полную информацию о механических свойствах материала. Для этого применяют специальные образцы, имеющие в поперечном сечении форму круга (цилиндрические образцы) или прямоугольника (плоские образцы). На рис. 3.1 представлена схема цилиндрического образца на различных стадиях растяжения. Согласно ГОСТ 1497—84 геометрические параметры образцов на растяжение должны отвечать следующим соотношениям: /() = 2,82У7ф или /0 = = 5,65V^b, или /0 = 1 l,3VTb (гДе — начальная расчетная длина образца, Fq — начальная площадь поперечного сечения расчетной части образца). Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины /0 к начальному диаметру г/0, т.е. /0/б/0, называют кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5,5 и 10. Самым распространенным является образец с кратностью 5.
Рис. 3.1. Схемы цилиндрического образца на различных стадиях растяжения:
а — образец до испытания (/о и d$ — начальные расчетные длина и диаметр); б — образец, растянутый до максимальной нагрузки (/р и d? — расчетные длина и диаметр образца в области равномерной деформации); в — образец после разрыва (/к — конечная расчетная длина; dK — минимальный диаметр в месте разрыва)
Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 3.2 представлена принципиальная схема типичной испытательной машины, основными элементами которой являются приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.
В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах «нагрузка (Р) — абсолютное удлинение образца (А/)» (рис. 3.3). На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА — прямолинейный, соответствующий упругой деформации; участок ЛВ — криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС — также криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.
В области упругой деформации (участок О А) зависимость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца А/ пропорциональна и известна под названием закона Гука:
где к = EF{)/1() — коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения Е0 и длины /0) и свойств материала (параметр Е).
Рис. 3.2. Схема испытательной машины:
1 — собственно машина; 2 — винт грузовой; 3 — нижний захват (активный); 4 — образец; 5 — верхний захват (пассивный); 6 — силоизмерительный датчик; 7 — пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 — индикатор нагрузок; 9 — рукоятки управления; 10 — диаграммный механизм; 11 — кабель
Рис. 3.3. Схемы машинных (первичных) диаграмм растяжения пластичных материалов:
а — с площадкой текучести; 6 — без площадки текучести
Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Еу тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:
где а = P/F$ — нормальное напряжение; 8 = Д///0 — относительная упругая деформация.
Наряду с модулем нормальной упругости Е существует модуль сдвига (модуль касательной упругости) G, который связывает пропорциональной зависимостью касательное напряжение т с углом сдвига (относительным сдвигом) у:
Еще одним важным параметром упругих свойств материалов является коэффициент Пуассона р, равный отношению относительной поперечной деформации (Ad/d^) к относительной продольной деформации (А///0). Этот коэффициент характеризует стремление материала сохранять в процессе упругой деформации свой первоначальный объем.
От коэффициента Пуассона р зависит соотношение между Е и G:
Как следует из уравнения (3.1), Е больше G, так как для смещения атомов отрывом требуется большее усилие, чем для смещения сдвигом.
Значения модуля нормальной упругости Е, модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов приведены в табл. 3.1.
При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме
Таблица 3.1
Значения модуля нормальной упругости Еу модуля сдвига G и коэффициента Пуассона р для некоторых материалов
Материал | Е, МПа | G, МПа | ц |
Сталь | 210 000 | 82 031 | 0,28 |
Медь листовая | 113 000 | 42 164 | 0,34 |
Латунь | 97 000 | 34 155 | 0,42 |
Цинк | 82 000 | 32 283 | 0,27 |
Алюминий | 68 000 | 25 564 | 0,33 |
Свинец | 17 000 | 5862 | 0,45 |
растяжения может проявляться небольшой горизонтальный участок, который называют площадкой текучести (АЛ‘ на рис. 3.3, а). На этой стадии деформации в действие включаются новые источники дислокаций, происходят их спонтанное размножение и лавинообразное распространение по плоскостям скольжения. Макроскопическим проявлением этих процессов является образование на рабочей поверхности образца узких полос скольжения, получивших название линий Чернова — Людерса. Эти линии располагаются под углом приблизительно 45° к продольной оси образца по направлению действия максимальных касательных напряжений и отчетливо видны на его полированной поверхности. Однако многие металлы и сплавы деформируются при растяжении без площадки текучести.
С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца. На участке ОЛВ деформация распределена равномерно по всей длине образца, а на участке ВС деформация практически вся сосредоточена в зоне шейки.
При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.
Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной — напряжением, равным отношением нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.
Предел текучести (физический) (ат, МПа) — это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
где Р1 — нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 3.3, а).
Если па машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 3.3, б)у то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
Условный предел текучести (a0i2, МПа) — это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца[1]:
где Р0 2 — нагрузка, соответствующая остаточному удлинению A/q 2 = 0,002/0.
Временное сопротивление (предел прочности) (ав, МПа) — это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Ршах, предшествующей разрыву образца:
Истинное сопротивление разрыву (5К, МПа) — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва Рк:
где
Показатели пластичности. Пластичность — одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластич11ости матерналов.
Относительное предельное равномерное удлинение (8р, %) — это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца AL до нагрузки Ртах к ее первоначальной длине /о (см. рис. 3.3, а):
Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное предельное равномерное сужение (|/р, %):
где Рр= ndp/4 — площадь поперечного сечения образца, соответствующая Ртах.
Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить связь между ц/р и 5р в относительных значениях (безразмерном виде):
При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.
Относительное удлинение после разрыва (8, %) — это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва А/к к ее первоначальной длине:
Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения /0 и (/0, г.е. от кратности образцов. Чем меньше отношение Iq/Fq и кратность образца, тем больше 8. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у 8 указывает на кратность образца1, например 85, 810.
Относительное сужение после разрыва (|/, %) — это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва AFK к начальной площади поперечного сечения:
В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения Iq и Fq (кратности образца), так как в последнем случае деформацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.
Диаграммы условных и истинных напряжений и деформаций. Протяженность первичных диаграмм растяжения вдоль осей координат Р и А/ зависит от абсолютных размеров образцов. При постоянной кратности образца чем больше его длина и площадь поперечного сечения, тем выше и протяженнее первичная диаграмма растяжения. Однако если эту диаграмму представить в относительных координатах, то диаграммы для образцов одной кратности, но разных размеров будут одинаковы. Так, если по оси ординат откладывать условные напряжения а, равные отношению нагрузки Р к начальной площади поперечного сечения Fq, а по оси абсцисс — условные удлинения 8, равные отношению абсолютного приращения длины образца А/ к его начальной длине /0, то диаграмму называют диаграммой условных напряжений и деформаций (или просто условной диаграммой). На рис. 3.4, а схематически представлена условная диаграмма «а — 8». На этой диаграмме отмечены условный предел текучести сто,2> временное сопротивление ств, конечное условное напряжение ак, условное предельное равномерное удлинение 8р и условное относительное удлинение после разрыва 8К.
Однако более объективную информацию можно получить, если диаграмму растяжения представить в других координатах: «S — г». Истинное напряжение S определяется как отношение текущей на- [2]
Рис. 3.4. Схемы условной (а) и истинной (6) диаграмм растяжения пластичных материалов
грузки Р к текущей площади поперечного сечения F, которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения:
Истинное удлинение г учитывает непрерывно изменяющуюся длину образца в процессе его растяжения, и поэтому его можно определить как сумму бесконечно малых относительных деформаций (II/I при переменном /:
Диаграмму в координатах «S — е» называют диаграммой истинных напряжений и деформаций (или просто истинной диаграммой). На истинной диаграмме, как и на условной, можно найти характерные точки, соответствующие истинному пределу текучести[3]5о,2> истинному временному сопротивлению 5В, истинному сопротивлению разрыву 5К, а также истинному предельному равномерному удлинению ?р и истинному конечному удлинению гк (рис. 3.4, б).
Значения предела текучести ат (а02), временного сопротивления а„, предельного равномерного удлинения 8р, истинного сопротивления разрыву 5К, относительных удлинения 85 и сужения у после разрыва для некоторых марок стали представлены в табл. 3.2.
Источник