ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.12.2019
Просмотров: 989
Скачиваний: 1
Природа условного предела текучести поликристалла в принципе аналогична природе предела упругости. Но именно предел текучести является наиболее распространенной и важной характеристикой сопротивления металлов и сплавов малой пластической деформации.
Плавный переход от упругой к пластической деформации наблюдается при растяжении таких металлов и сплавов, в которых имеется достаточно большое количество подвижных незакрепленных дислокаций в исходном состоянии (до начала испытания). Напряжение, необходимое для начала пластической деформации поликристаллов этих материалов, оцениваемое через условный предел текучести, определяется силами сопротивления движению дислокаций внутри зерен, легкостью передачи деформации через их границы и размером зерен.
Эти же факторы определяют и величину физического предела текучести σт - напряжения при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки Рт. При этом на кривой растяжения образуется горизонтальный участок, соответствующий пределу текучести.
Предел текучести зависит от размера зерна. Эта зависимость является важнейшей в теории предела текучести поликристаллов. Границы зерен служат эффективными барьерами для движущихся дислокаций. Чем мельче зерно, тем чаще встречаются эти барьеры на пути скользящих дислокаций и большие напряжения требуются для продолжения пластической деформации уже на начальных ее стадиях. В результате по мере измельчения зерна предел текучести возрастает. Многочисленные эксперименты показали, что нижний предел текучести
σт = σi + d-1|2
где σi и Ky - константы материала при определенной температуре испытаний и скорости деформирования; d - размер зерна.
Формула ( ), называемая по имени ее первых авторов Петча - Холла, универсальна и хорошо описывает влияние размера зерна не только на предел текучести, но и на любое напряжение течения в области равномерной деформации.
Предел текучести является температурно чувствительной характеристикой. В зависимости от превращений структуры здесь возможен и спад, и подъем, и сложная зависимость от температуры. Например, повышение температуры растяжения предварительно закаленного сплава - пересыщенного твердого раствора приводит вначале к повышению предела текучести вплоть до какого-то максимума, соответствующего наибольшему количеству диспесрных когерентных выделений продуктов распада твердого раствора, а при дальнейшем повышении температуры будет снижаться из-за потери когерентности частиц с матрицей и их коагуляции.
Предел прочности. При увеличении напряжений сверх предела текучести при растяжении в результате сильной деформации происходит упрочнение металла (изменение его структуры и свойств) и сопротивление деформации увеличивается, поэтому за участком текучести наблюдается подъем кривой растяжения (участок упрочнения). До точки D удлинение образца происходит равномерно. Наибольшее значение нагрузки, предшествовавшее разрушению образца, обозначается Рмах. Точка D характеризует максимальное условное напряжение, возникающее в процессе испытания, называемое временным сопротивлением или пределом прочности.
Временное сопротивление (σв)- условное напряжение, определяемое по отношению действующей силы к исходной площади поперечного сечения образца и отвечающее наибольшей нагрузке Рмах, предшествовавшей разрушению образца.
В момент, соответствующий нагрузке Рмах, появляется заметное местное сужение образца (шейка). Если до этого момента образец имел цилиндрическую форму, то теперь растяжение образца сосредотачивается в области шейки.
Участку D - E соответствует быстрое уменьшение сечения шейки, вследствие этого растягивающая сила уменьшается, хотя напряжение растет (площадь сечения в шейке Fвр < Fо).
При дальнейшей деформации шейка сужается и образец разрывается по наименьшему сечению Fк, где напряжения в действительности достигают наибольшего значения. Таким образом, нарастание пластической деформации при растяжении происходит поэтапно: равномерная пластическая деформация до точки D и местная пластическая деформация от точки D до точки - E момента разрушения.
Моменту разрыва соответствует точка E, усилие разрыва обозначим Рк. Отношение разрывающего усилия к действительной площади поперечного сечения в месте разрыва Рк называют истинным сопротивлением разрыву -Sк.
У пластичных металлов временное сопротивление является характеристикой сопротивления пластической деформации, а у хрупких -характеристикой сопротивления разрушению.
Для пластичных материалов, образующих при растяжении шейку, характеристикой сопротивления разрушению служит истинное сопротивление разрыву (при разрушении).
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА РАСТЯЖЕНИЕ
Основные характеристики пластичности при испытании на растяжение - относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Общее удлинение образца при растяжении слагается из равномерного и сосредоточенного удлинения за счет образования шейки. Так,если размеры испытываемых образцов могут быть различными, то характеристикой пластичности образца служит не его абсолютное удлинение, а относительное остаточное удлинение при разрыве. Относительное удлинение после разрыва - это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к первоначальной расчетной длине в процентах:
δ = [(1к-1о)/1о]*100%
Чем больше δ, тем пластичнее металл.
Относительное сужение после разрыва ψ - это отношение разности начальной площади и минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения образца.
Если Fо начальная площадь поперечного сечения образца, Fк -минимальная площадь сечения образца в месте образования шейки (в месте разрыва), то относительное сужение (в процентах):
ψ =[(Fо - Fк)/Fк]*100%
При оценке свойств образцов пластических материалов большое значение имеет их сопротивление пластической деформации. Оно показывает какое напряжение можно допустить, не вызывая (или вызывая допускаемое значение) пластической деформации, т.е. изменения металла под действием внешних сил.
Характеристики пластичности тесно связаны с прочностными свойствами. При достаточно высоких значениях относительного удлинения и сужения (> 10-20 %) прочность обычно тем меньше, чем выше пластичность. Но переход к хрупкому разрушению сопровождается, как правило, снижением прочностных свойств.
В зависимости от величины удлинения меняется разница между пределами текучести и прочности, отношение σ0,2/<σв является важной характеристикой материала. Обычно оно тем меньше, чем выше пластичность.
ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (α = 2) по сравнению с растяжением (α = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие металлы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких материалов.
Расчет нормальных и касательных напряжений при сжатии и растяжении производят аналогично. В результате пластической деформации при сжатии образец укорачивается и уширяется. Следовательно, вместо измерявшихся после растяжения δ и ψ в качестве характеристик пластичности при сжатии можно определять относительное укорочение
ε = [(hо - hк)/hо]*100%
и относительное уширение
φ = [(Fк - Fо )/Fо]*100%,
где hо и hк - начальная и конечная высота образца; Fо и Fк - начальная и конечная площадь поперечного сечения.
Линейность схем напряженного и деформированного состояния при одноосном сжатии и растяжении обуславливает близость характеристик сопротивления малым деформациям одного материала, испытываемого двумя методами. Но после перехода к существенной пластической деформации (при растяжении выше предела текучести) схема одноосного сжатия в реальных испытаниях нарушается, и фиксируемые характеристики прочностных свойств уже резко отличаются от определяемых при испытании на растяжение. Это связано с трением по опорным поверхностям образца.
Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 5. Испытания проводят на тех же машинах, что и растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например шарового вкладыша в верхнем захвате (рис. 5.а ).
По мере сжатия на торцовых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусу к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму (рис.З.а), а схеме
значение) пластической деформации, т.е. изменения металла под действием внешних сил.
Характеристики пластичности тесно связаны с прочностными свойствами. При достаточно высоких значениях относительного удлинения и сужения (> 10-20 %) прочность обычно тем меньше, чем выше пластичность. Но переход к хрупкому разрушению сопровождается, как правило, снижением прочностных свойств.
В зависимости от величины удлинения меняется разница между пределами текучести и прочности, отношение σ0,2/<σв является важной характеристикой материала. Обычно оно тем меньше, чем выше пластичность.
ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ
Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости (α = 2) по сравнению с растяжением (α = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие металлы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких материалов.
Расчет нормальных и касательных напряжений при сжатии и растяжении производят аналогично. В результате пластической деформации при сжатии образец укорачивается и уширяется. Следовательно, вместо измерявшихся после растяжения δ и ψ в качестве характеристик пластичности при сжатии можно определять относительное укорочение
ε = [(hо - hк)/hо]*100%
и относительное уширение
φ = [(Fк - Fо )/Fо]*100%,
где hо и hк - начальная и конечная высота образца; Fо и Fк - начальная и конечная площадь поперечного сечения.
Линейность схем напряженного и деформированного состояния при одноосном сжатии и растяжении обуславливает близость характеристик сопротивления малым деформациям одного материала, испытываемого двумя методами. Но после перехода к существенной пластической деформации (при растяжении выше предела текучести) схема одноосного сжатия в реальных испытаниях нарушается, и фиксируемые характеристики прочностных свойств уже резко отличаются от определяемых при испытании на растяжение. Это связано с трением по опорным поверхностям образца.
Схема испытания на сжатие и геометрия используемых образцов показаны на рисунке 5. Испытания проводят на тех же машинах, что и растяжение. Образец устанавливают на опорную плиту в нижнем захвате и сжимают подвижным захватом. Для устранения перекоса образца усилие следует передавать на него с помощью какого-либо направляющего приспособления, например шарового вкладыша в верхнем захвате (рис. 5.а ).
По мере сжатия на торцовых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусу к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму (рис.З.а), а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. В точках 1 и 2, например, возникает схема объемного сжатия, а в точке 3 - разноименное плоское напряженное состояние. Неоднородность напряженного состояния образца на практике не учитывают, рассчитывая прочностные характеристики при сжатии по тем же формулам, что и при растяжении
σi = Рi/Fо.
Это придает дополнительную условность определяемым свойствам. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца, что достигают обычно одним из следующих способов или их сочетанием:
-
введением различных смазок (вазелин, солидол) и прокладок (тефлон, пропитанная парафином фильтровальная бумага) между торцовыми поверхностями образца и опорными плитами;
-
использованием подкладок и образцов с конической поверхностью на торцах (рис.З.в). Углы конусности подбирают так, чтобы их тангенс был равен коэффициенту трения;
-
помимо конусности в образце делают центральное отверстие, устраняющее концентрацию напряжений у острия конуса.
Но полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение всего испытания линейное напряженное состояние не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие.
При испытании на сжатие машина может зафиксировать первичную диаграмму сжатия - зависимость усилия Р от уменьшения высоты образца (абсолютной деформации) Δh . Вид диаграммы сжатия различен для материалов, разрушающихся (рис.6.1) и не разрушающихся (рис.6.2) в результате испытания. В отличие от испытаний на растяжение, при сжатии удается разрушить далеко не каждый материал. Достаточно пластичные металлы и сплавы при сжатии расплющиваются в тонкие пластины и не разрушаются при максимально возможных усилиях испытательной машины.
Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. Стандартизированы пробы на осадку (ГОСТ 8817 - 73) и расплющивание (ГОСТ 8818 - 73). С их помощью по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину.
ИСПЫТАНИЕ НА ИЗГИБ
Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкостью по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластичное (например, у хладноломких о.ц.к. металлов и интерметаллидов).
При испытаниях на изгиб применяют две схемы нагружения образца, лежащего на неподвижных опорах: 1) нагрузка прикладывается сосредоточенной силой на середине расстояния между опорами (рис.7.а) и 2) нагрузка прикладывается в двух точках на одинаковом расстоянии от опор (рис.7.б). Экспериментально первую схему реализовать проще, поэтому она и нашла наибольшее распространение, следует учитывать, что вторая схема "чистого изгиба" во многих случаях обеспечивает более надежные результаты, поскольку здесь максимальный изгибающий момент возникает на определенном участке длины образца, а не в одном сечении, как при использовании первой схемы.
Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок, это еще одно преимущество по сравнению с растяжением, т.к. изготовление образцов с головками, особенно из хрупких материалов, значительно сложнее. Для определения свойств отливок из чугуна используют цилиндрические образцы диаметром 30±1мм и длиной 340 или 650 мм (при расстоянии между опорами 300 и 600 мм соответственно). Для оценки характеристик конструкционной прочности рекомендуется применять образцы большого сечения до 30x30 мм.