II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
2.1. Диаграмма Растяжения...
2.1. Диаграмма растяжения
Мы изучили разные материалы с точки зрения их электрических свойств – полупроводники, диэлектрики, проводники. Для применения не менее важными являются их механические свойства.
К механическим свойствам относятся твердость, прочность. пластичность, упругость и др.
Познакомимся с ними подробнее.
Рассмотрим образец, имеющий первоначальную длину l0 (рис. 35).
Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал удлинился до длины l . Разность длин
∆l = l – l0 ,(31)
называют абсолютным удлинением образца, а отношение
∆l/l0 = δl = ε , (32)
относительным удлинением δl или деформацией образца ε.
Если обозначить сечение образца за S, то механическое напряжение σ будет определяться отношением
σ = F/S. (33)
При малых растяжениях между деформацией ε и напряжением σ существует линейная зависимость:
ε = k σ, (34)
где k – коэффициент податливости,
или
σ = E ε, (35)
где Е – модуль упругости или модуль Юнга.
Такая линейная зависимость называется законом Гука. Но он выполняется не всегда, а в определенных пределах деформации и напряжения. При больших деформациях зависимость имеет сложный вид.
Если построить график зависимости растягивающей силы от удлинения образца, то получится диаграмма растяжения. На рис. 36 приведен характерный вид такой диаграммы. На графике можно выделить несколько характерных участков или зон.
Участок ОА –зона упругости. Здесь зависимость линейна в соответствии с законом Гука. График круто возрастает.
Участок АВ – зона текучести , где происходит удлинение образца почти без возрастания приложенной силы. График почти горизонтален.
Участок ВС –зона упрочнения, здесь удлинение образца сопровождается значительным возрастанием растягивающей силы.
Участок CD –зона разупрочнения, необходимая для дальнейшего растяжения сила уменьшается. Здесь при растяжении образца в каком-то месте образуются сужения или шейка, которая становится все тоньше. Это происходит до тех пор , пока образец не оборвется. Точка D соответствует разрушению образца.
Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить, то на диаграмме это изобразится линией KL. Её наклон соответствует наклону упругого участка ОА. Величина OL на диаграмме называется остаточным удлинением, а соответствующая ей деформация – остаточной или пластической деформацией. При повторном нагружении растягивающая сила увеличивается по линии LK и далее по кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки не было.
Диаграмма растяжения зависит от размеров образца. Чтобы получить количественную оценку свойств материала, перестроим диаграмму растяжения в координатах напряжение σ – деформация ε. Эта диаграмма имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.
Характерные точки на диаграмме количественно определяют свойства материала:
Наибольшее напряжение (точка А), до которого материал следует линейному закону Гука, называют пределом пропорциональности σп.
Пределом упругости σу называют наибольшее напряжение(точка У), до которого материал не получает остаточной деформации. На данном участке, если силу растяжения убрать, то образец вернется в первоначальную форму. Если же приложить большую силу, то появится остаточное удлинение образца.
- следующий участок текучести (точка В ) определяет предел текучести σт
- максимально достигаемое значение напряжения (точка С ) характеризует предел прочности или временной предел σв.
- крайняя точка на диаграмме D соответствует максимальной деформации, при которой материал разрушается. Эта величина называется пластичностью d.
Эти параметры характеризуют только материал и не зависят от его формы и размеров образца.
Предел текучести наблюдается не у всех материалов. Поэтому существует условный предел текучести σ0,2. Это величина напряжения, при котором величина остаточной деформации образца равна 0,2%.
По виду диаграммы напряжение-деформация различают хрупкие и пластичные материалы. Рассмотренная выше диаграмма характерна для пластичных металлов и сплавов.
Для хрупких материалов диаграмма выглядит иначе (рис.38). У таких материалов отсутствует участок пластической деформации. При достижении предела упругости материал сразу разрушается, без заметной пластической деформации. Хрупкими являются, например, стекло, керамика, бетон, высокоуглеродистые стали. В металлах может наблюдаться и пластичное, и хрупкое поведение. Например, упругая пластичная сталь при очень низких температурах становится хрупкой.
Можно снять диаграмму при сжатии образца.
Для пластичных материалов начальные участки диаграммы сжатия выглядят почти так же, как при растяжении, но отсутствует участок разупрочнения и разрушение (рис.39). С началом пластической деформации сечение образца увеличивается, материал упрочняется, и сила сжатия растет до максимальных возможностей испытательной машины, без разрушения образца.
У хрупких материалов при сжатии наблюдается разрушение, с образованием трещин по наклонным и продольным плоскостям. Но предел прочности на сжатие, как правило, намного больше , чем при растяжении.
2.2. Твердость
Твердость – способность материала сопротивляться воздействию на его поверхность. Рассмотрим метод Бринелля определения твердости материалов или проба по Бринеллю (рис.40.). В этом методе в поверхность образца с определенной силой F вдавливают стальной шарик диаметром 10 мм. В результате воздействия на поверхности остается отпечаток, площадь S которого измеряется. Отношение силы вдавливания к площади отпечатка дает величину твердости по Бринеллю:
[Па]. (36)
При измерениях разных по твердости материалов ГОСТом установлены следующие силы вдавливания F:
сталь, чугун 3000 кгс,
сплавы меди и алюминия 1000 кгс,
мягкие сплавы 250 кгс.
Твердость по Бринелю связана с пределом прочности() эмпирическим соотношением:
для стали и чугуна ~ 0,4НВ,
сплавов меди и алюминия ~ 0,25 НВ.
То есть, измеряя твердость, можно определить предел прочности материала. Вследствие простоты и оперативности определения механических свойств материалов метод Бринелля получил широкое распространение в промышленности и лабораториях.
Кроме описанного выше метода, получили распространение также пробы на твердость по Роквеллу и Викерсу. Испытания проводятся по аналогичной методике, но вместо стального шарика для вдавливания используются наконечник в виде стального конуса или алмазная треугольная пирамидка, соответственно. Поскольку алмаз является самым твердым материалом, по методу Викерса могут быть испытаны любые по твердости материалы. Поскольку значения твердости у разных методик различаются, для сравнения результатов измерения существуют специальные таблицы перевода твердости из одной шкалы в другую.
2.3. Теоретическая и реальная прочности кристалла
Рассмотрим металлический кристалл, состоящий из положительных ионов и отрицательного газа электронов (рис. 41 а). Можно приближенно рассчитать усилие F, которое необходимо приложить к образцу, чтобы его разорвать. Для простоты будем считать, что в узлах кубической кристаллической решетки находятся положительно заряженные ионы, а посередине между двумя ионами сосредоточены электроны. Соответственно каждый положительный ион будет притягиваться к отрицательному электрону. Данную силу притяжения можно вычислить, зная расстояние, на котором находятся эти заряды. Оно равно периоду кристаллической решетки . Тогда притяжение двух зарядов будет определяться силой Кулона:
. (37)
Таких пар ион-электрон будет множество. Общая сила притяжения сложится из суммы всех взаимодействующих пар N:
. (38)
Число пар N найдем (рис. 41 б) поделив сечение образца S на площадь, приходящуюся на один ион (для кубической решетки a2):
, (39)
тогда сила взаимодействия равна
. (40)
Значит, напряжение определится через
. (41)
По полученной формуле рассчитаем прочность кристалла железа, подставив параметр кристаллической решетки, известный из эксперимента:
.
Теоретический расчет дает величину предела прочности ~3,4×Па. Однако реально наблюдаемая в экспериментах прочность железа ~2×Па. Результаты различаются в сотни раз! Аналогичная ситуация наблюдается и для других материалов, и другого вида деформации (сдвига) табл.2.
Таблица 2.
Экспериментальные и рассчитанные модули сдвига металлов
МПа
МПа
Медь
Серебро
Железо
Причиной такого разительного отличия являются дефекты кристаллической решетки. Реальные кристаллы имеет неидеальную структуру, содержат дефекты строения. Наибольшее влияние на прочность оказывают линейные дефекты – дислокации. При наличии дислокаций прочность кристаллов должна уменьшаться в сотни раз, и тогда теоретические расчеты согласуются с экспериментальными данными. Первоначально дислокации были предложены теоретически, и только спустя полвека они были обнаружены экспериментально с помощью электронных микроскопов высокого разрешения.
Появившиеся современные технологии позволяют выращивать совершенные практически бездефектные кристаллы. Они длинные, но тонкие по сечению, их называют нитевидные кристаллы или «усы». Прочность этих кристаллов оказалась близка к теоретическому пределу (табл.3.), что подтвердило правильность дислокационной теории.
Государственное образовательное учреждение... высшего профессионального образования... Уфимский государственный авиационный технический университет...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
I. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
К неметаллическим материалам относятся разнообразные по природе и строению материалы – органические и неорганические, полимерные и мономерные, кристаллические и аморфные. Например, графит, стекло,
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Абсолютно чистый диэлектрик с идеальной структурой был бы идеальным изолятором, т.е. совсем не проводил бы электрический ток. В реальных же диэлектриках всегда содержатся примеси, их структура имее
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Диэлектрики практически не содержат свободных зарядов, однако любое вещество состоит из электрически заряженных частиц, которые находятся в связанном состоянии. П
Электронная поляризация
Электронная поляризация возникает в неполярных диэлектриках, в которых молекулы не обладают собственным дипольным моментом. В этом случае атом или молекула (например, атом водорода) представляют со
Ионная поляризации
Данный вид поляризации происходит в случае, когда вещество состоит из ионов. Рассмотрим, например, ионный кристалл NaCl. Кристаллическая решетка его представляет собой пространственную кубическую р
Дипольная поляризация
Дипольная поляризация возникает в полярных диэлектриках, молекулы которых являются диполями. В этом случае при отсутствии внешнего электрического поля дипольные моменты молекул ориентированы хаотич
Спонтанная поляризация
Рис. 8. Спонтанная поляризация:
а – электрическое поле отсутствует,
сб
Активные диэлектрики
Активными диэлектриками называют материалы с особыми электрическими свойствами – с большой величиной диэлектрической проницаемости, сильной зависимостью от внешних воздействий и т.д. К ним относятс
Диэлектрические потери
Диэлектрические потери – это процесс выделения тепловой энергии в диэлектрике под действием внешнего электрического поля. Потери связаны с двумя рассмотренными процессами в диэлектрике: электропров
Зависимость тангенса угла потерь от температуры
Общие потери диэлектрика складываются из потерь на электропроводность и потерь на поляризацию. При нагревании меняются все свойства диэлектрика, в том числе и электропроводность и п
Для неполярных
При воздействии электрического поля свободные носители зарядов разгоняются, приобретают кинетическую энер
Для полярных
В полярных диэлектриках дипольные частицы имеют характерные частоты резонансов, на которых величина потер
Пробой диэлектриков
Пробой диэлектрика – это потеря материалом диэлектрических свойств, то есть при больших напряженностях электрического поля, температурах и других внешних воздействиях диэлек
Электрический пробой
Почему же при больших напряженностях электрического поля диэлектрик начинает проводить электрический ток, что происходит в материале?
В исходном состоянии диэлектрик не проводит электричес
Электротепловой пробой
Материал, помещенный в электрическое поле, нагревается из-за диэлектрических потерь, т.е. выделения тепла
Электрохимический пробой
В диэлектрике под действием электрического поля происходят различные химические процессы, что с течением времени приводит к изменению химического состава диэлектрика: в нем появляются продукты разл
Кривая жизни диэлектрика
С течением времени диэлектрические свойства материала ухудшаются. Этот процесс называют старением материа
Собственные полупроводники
Химически чистые полупроводники называются собственными полупроводниками. К ним относится ряд чистых химических элементов: германий, кремний, селен, теллур и др., и многие химические соединения: а
Примесные полупроводники
Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат примеси. Примесные атомы имеют свои собственные энергетические уровни, которые могут располагаться как в разрешенной, так и в запрещенной зонах
Применение полупроводников
Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переход
Полупроводниковый диод
Рассмотрим полупроводниковый диод на основе p-n перехода. Если к диоду приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности напряжения. Эта зависимость то
Стабилитрон
Стабилитрон устроен практически так же, как и диод. То есть имеется p-n-переход, но напряжение в нем включается в обратной полярности. В этом случае переход запирается, то есть образуется изолирующ
Варикап
Приложим к p-n переходу обратное напряжение. В результате образуется изолирующий слой некоторой толщины d. Причем толщина этого слоя будет зависеть от приложенного напряжения: чем больше вел
Светодиод
Светодиод – устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении (рис.31.). В э
Фотодиод
Фотодиод представляет собой p-n-переход, включенный в обратном направлении (рис. 34). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.
Если на изолирующий с
Терморезистор
Терморезистор – это полупроводниковый материал, к которому присоединено два контакта (рис. 32). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется экспоненциальной формулой (17):
Фоторезистор
Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может также свет (рис. 33).
При облучении светом энергия фотонов передается электронам, и они могут переходить в зону проводимости.
Рекристаллизация
При нагреве деформированного металла до более высоких температур (>0,4 Тпл) начинается рекристаллизация (рис. 43). Образуются совершенно новые зерна, с неискаженной решеткой, отделенн
Цементация
Цементацией называется процесс насыщения поверхностного слоя стальных изделий углеродом С.
При
Азотирование
Азотированием называется процесс насыщения поверхности металла азотом N. Для создания активной среды используют газ аммиак (NH3), который под действием высокой температуры диссоциирует,
Нитроцементация
Нитроцементация – процесс одновременного насыщения поверхности металла азотом N и углеродом С. Средой является газовая смесь метана и амммиака.
Условия протекания процесса:
t
Цианирование
Обработка металла в жидкой среде расплавленных цианистых солей натрия NaCN.
Условия протекания процесса:
t = 820 - 920 ˚C
τ = 0,5– 1 ч
∆ =
Диффузионная металлизация
Диффузионная металлизация – процесс насыщения поверхности деталей различными металлами. Диффузия металлов идет значительно медленнее, чем азота или углерода, поэтому образующиеся слои в десятки раз
Дробеструйный наклеп.
Мощный вентилятор создает поток воздуха, который разгоняет маленькие стальные шарики или дробинки до бол
Центробежный шариковый наклеп.
В этом случае поверхность металла обрабатывается шариками, которые прикреплены к вращающемуся инструменту (барабану, диску) и могут выдвигаться из него (рис. 50). Барабан раскручивается до большой
IV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
4.1. Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления д
Критерии оценки конструкционной прочности материалов
Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.
Критерии прочности материала выбирают
Углеродистая сталь
Сплав железа с легирующим элементом углеродом, называется углеродистая сталь. 80% всех выпускаемых сталей – это углеродистые стали (самые дешевые). Они обладают удовлетворительными механическими св
Легированные стали
Они содержат легирующие элементы, улучшающие свойства этих сталей. В зависимости от количества и типа легирующих элементов эти стали по ГОСТу обозначают цифрами и буквами. Первые две цифры указываю
Медные сплавы
Медь – металл желтого цвета, высокотехнологичный, хорошо сваривается, паяется, обрабатывается давлением, обладает отличной пластичностью, характеризуется высокими теплопроводностью и электропровод
Алюминиевые сплавы
Алюминий – очень легкий серебристо-белый металл, его плотность 2.7 г/см3, т.е. он в три раза легче меди. Алюминий обладает высокой пластичностью, хорошими теплопроводностью и электропро
Магний и его сплавы
Магний – сверхлегкий металл, легче алюминия, плотность 1,74 г/см3 , температура плавления 651 оС. Химически чрезвычайно активен, при нагреве на воздухе воспламеняется и горит
Титан и его сплавы
Титан – тугоплавкий металл серого цвета, с температурой плавления t = 1665 оС, с высокой прочностью sв = 250 МПа и пластичностью d = 70% . При этом плотность его небольшая r =
Химический состав
В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры – это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи, к которой
Строение полимеров
Полимеры – вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев – мономеров. М
Термомеханическая кривая полимера
Если термопластичный полимер подвергнуть постоянной механической нагрузке, то он будет деформироваться.
При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину.
Термопласты
Полиэтилен – продукт полимеризации этилена, структура (–СН2–СН2–)n, один из самых распространенных полимеров, обладает достаточной прочностью, стой
Реактопласты
Фенолформальдегидные смолы являются основой большого количества пластмасс, лаков и клеев. В результате нагрева смолы происходит химическая реакция, и получается полимер бакелит. Са
Полимеры с наполнителями
Полимеры с наполнителями являются композиционными материалами, которые подробнее мы рассмотрим в следующих разделах. Здесь же приведем свойства некоторых из них.
Гетинакс
Эффективность применения полимеров
Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обт
Ситаллы
Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30–90%, размеры крис
Керамика
Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот тер
Керамика на основе оксидов
В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (корунд), SiO2, ZrO2, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых ок
Бескислородная керамика
К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отлич
Дисперсноупрочнённые композиционные материалы
Дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленных в неё мелких частиц 10–500 нм (рис. 58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение ди
Волокнистые композиционные материалы.
Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (рис. 59). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно
Борноволокнистые материалы
Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью σв = 1300 МПа, легкий ρ = 2000 кг/см3, выдерживает длительный нагрев до температу
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Приложим к нему некоторую растягивающую силу F. Под действием силы материал удлинился до длины l . Разность длин
Участок АВ – зона текучести , где происходит удлинение образца почти без возрастания приложенной силы. График почти горизонтален.
Если испытуемый образец, не доводя до разрушения, разгрузить, то на диаграмме это изобразится линией KL. Её наклон соответствует наклону упругого участка ОА. Величина OL на диаграмме называется остаточным удлинением, а соответствующая ей деформация – остаточной или пластической деформацией. При повторном нагружении растягивающая сила увеличивается по линии LK и далее по кривой KCD, как будто промежуточной разгрузки не было.
По виду диаграммы напряжение-деформация различают хрупкие и пластичные материалы. Рассмотренная выше диаграмма характерна для пластичных металлов и сплавов.
Для пластичных материалов начальные участки диаграммы сжатия выглядят почти так же, как при растяжении, но отсутствует участок разупрочнения и разрушение (рис.39). С началом пластической деформации сечение образца увеличивается, материал упрочняется, и сила сжатия растет до максимальных возможностей испытательной машины, без разрушения образца.
Твердость – способность материала сопротивляться воздействию на его поверхность. Рассмотрим метод Бринелля определения твердости материалов или проба по Бринеллю (рис.40.). В этом методе в поверхность образца с определенной силой F вдавливают стальной шарик диаметром 10 мм. В результате воздействия на поверхности остается отпечаток, площадь S которого измеряется. Отношение силы вдавливания к площади отпечатка дает величину твердости по Бринеллю:
[Па]. (36)
) эмпирическим соотношением:
Кроме описанного выше метода, получили распространение также пробы на твердость по Роквеллу и Викерсу. Испытания проводятся по аналогичной методике, но вместо стального шарика для вдавливания используются наконечник в виде стального конуса или алмазная треугольная пирамидка, соответственно. Поскольку алмаз является самым твердым материалом, по методу Викерса могут быть испытаны любые по твердости материалы. Поскольку значения твердости у разных методик различаются, для сравнения результатов измерения существуют специальные таблицы перевода твердости из одной шкалы в другую.
. Тогда притяжение двух зарядов будет определяться силой Кулона:
. (37)
. (38)
, (39)
. (40)
. (41)
.
~3,4×
Па. Однако реально наблюдаемая в экспериментах прочность железа 
~2×
Па. Результаты различаются в сотни раз! Аналогичная ситуация наблюдается и для других материалов, и другого вида деформации (сдвига) табл.2.
МПа
МПа
Новости и инфо для студентов