Деформацией называется изменение размеров и формы тел а под действием приложенных сил либо внешних, либо возникающими при различных физико-механических процессах, проходящих в самом теле. Отношение силы, действующей на тел о , к некоторой площадке F называется напряжением. Единица механического напряжения – 1 мегапаскаль – 1 МПа = 106 Па (1 кгс/мм2 ≈ 10 МПа).
ВИД Ы НАПР ЯЖ ЕНИЙ
Нормальные и каса тельн ые
σ - нормальные напряжения: растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); τ - касательные напряжения.
Временные напряжения - обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Остаточные внутренние напряжения - возникают и уравновешиваются внутри тела без внешней нагрузки.
Тепловые (термические) напряжения – возникают при быстром нагреве или охлаждении те л а из-за неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев.
Структурные (фазовые) напряжения – возникающие при кристаллизации, деформации или неоднородном протекании фазовых превращений по объему те л а .
На л ич ие в образце (изделии) концентраторов напряжений – надрезов, тр ещ ин, отверстий, металлургических и технологических дефектов приводит к резкому увеличению напряжений в месте дефекта.
Эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений: σн – среднее напряжение; σк – максимальное напряжение.
►напряжения вызывают деформацию металла
ДЕФОРМАЦИЯ
Упругая – влияние ее на свойства, форму, структуру, размер тел а устраняется после снятия нагрузки.
Пластическая – не устраняется после снятия нагрузки, меняя форму, размер, структуру, свойства те л а .
Пластическая деформация как в моно- , так и в поликристаллах осуществляется за счет скольжения и двойникования.
Скольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположением атомов.
а – до дефор мации;
б – после дефор мации.
Осуществляется за счет движения дислокаций, смещается небольшая группа атомов на расстояние меньше межатомного. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу.
Двойникование – деформация в решетке ОЦК, ГЦК, ГПУ. Происходит переориентация части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части (зеркальное отражение).
Схема двойникования (стрелками показано направление сил)
АВСД – полоса двойникования. Наблюдается при больших степенях деформации, может появиться при вибрации, при ударе во время падения.
I
I
В поликристалле процессы скольжения и двойникования идут в каждом зерне. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен. Передача деформации от зерна к зерну происходит эс таф етным путем.
Пластическая деформация вызывает изменение структуры и свойств поликристаллического металла
I
I
Число дефектов кристаллического строения (дис локаций, ваканс ий и др.) возрастает. Плотность дефектов ≈ 1012 (1/см-2 ). При больших степенях деформации (≈ 80 %) – явление наклепа – увеличение прочности и резкое снижение способности к пластическому деформированию (снижение пластичности). (с тепень деформации ε:
⋅100%, где Fн |
Fк |
s = |
Fн -Fк Fн площадь сечения до и после деформации).
а) |
Пр и пластическом деформировании кристаллы меняют свою форму – зерна вытягиваются в направлении приложения силы, образуя волокнистую структуру.
Повышение плотнос ти дислокаций и др. дефектов затрудняют движение отдельных новых дислокаций и увеличивает сопротивление деформации, уменьшая пл а с тич но с ть и повышая прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислокаций.
а б
б)
Структура металла
до деформации; после деформации.
Р АЗР УШЕНИЕ
Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле тр е-щин, приводящих к разделению его на части.
Зарождение тр е щ ин.
Происходит путем образования микротрещин в местах скопления движущихс я дислокаций перед препятствием (границы зерен, микропоры, неметаллические включения и т.д.).
Распространение (развитие) тр е щ ин . Происходит по-разному при вязком и хрупком разрушении металла. С то ч к и зрения микроструктуры – тр а нс к р и-сталлитное и интеркри-сталлитное разрушение. Транскристаллитное – по тел у зерна, интеркри-сталлитное – по границам.
Вя з к о е разрушение – тр ещ ина стабильна (l<lкр ), величина пластической деформации в устье трещины велика, сама трещина имеет тупую вершину. Скорость распространения трещины мала. Разрушение постепенное. Из л о м – матовый, волокнис тый, тр а н с к р и -сталлитный. |
Хрупкое разрушение – трещина нестабильна, если ее длина l>lкр, растет самопроизвольно, вершина сохраняет остроту, соизмеримую (по размеру) с атомными размерами. Величина пластичес кой деформации в устье трещины мала. Скорость распространения трещины ~ 2500 м/с, разрушение внезапное, межзеренное, интеркристаллитное.
Из л о м – светлый, кристалличес кий, имеет блестящие плоские участки.
Одни и те же сплавы в зависимости от условий обработки могут иметь вязкое и хрупкое разрушение. Металлы с ОЦК и ГПУ решеткой с понижением Т0 имеют переход от вязкого к хрупкому разрушению – явление хладноломкости. Температура перехода (Т50) – температурный порог хладноломкости.
ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ
1. Что так о е упругая и пластическая деформация?
2. Как протекает пластическая деформация в монокристалле? В поликристалле?
3. Как влияет степень деформации на структуру и свойства металла?
4. Что так о е наклеп и как объяснить упрочнение металла в процессе деформации?
5. Пр и каких технологических процессах производят пластическое деформирование металла?
6. Что та к о е концентраторы напряжений и почему они опасны?
7. Механизм образования и роста трещины при разрушении.
8. Каковы особенности вязкого и хрупкого разрушения металла?
9. Каковы особенности вязкого и хрупкого изломов металла?
10. Что так о е хладноломкость, у каких материалов можно наблюдать это явле
ние?
Задача № 1
Пр и получении стального листа толщиной 1,5 мм холодной прокаткой значительно повысилась тв е р д о с ть. Объяс ните причину этого явления.
Задача № 2
По л о с ы свинца были прокатаны при 200С с ε = 20, 30, 40, 60 %. Будут ли отличаться свойства этих полос? Ответ обосновать.
Задача № 3
Детали, изготовленные из прутков меди ∅ 25 мм, должны иметь НВ 300 Мпа. На заводе имеются лишь прутки ∅ 40 мм и НВ 220 Мпа. Укажите, как можно использовать имеющиеся прутки для изготовления деталей с заданными свойствами.
Задача № 4
Детали из низкоуглеродистой стали после холодной штамповки в разных сечениях имели разную тв ер до с ть (от 1000 до 16000 Мпа). До штамповки сталь имела тв е р д о с ть 900 Мпа. Объясните неодинаковос ть свойств по с ечению детали.
Задача № 5
Образец высотой 20 мм был осажен до 15 мм. Рассчитать степень деформации ε.