Механические свойства материалов
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил ха- рактеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость и вынос- ливость. Эти свойства определяют по результатам механических испыта- ний, при которых металлы подвергаются воздействию внешних сил (на- грузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (знакопеременными).

В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кру- чения, среза) и условий воздействия (температуры, скорости, периодично- сти и времени приложения) материалы принято характеризовать различ- ными мерами сопротивления их деформации и разрушению – характери- стиками механических свойств.

Механические свойства могут быть разделены на три основные груп-

пы.

Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при

однократном кратковременном нагружении. К ним относятся упругие свойства: модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига и коэффициент Пуассона µ.

Сопротивление малым упруго-пластическим деформациям определя- ется пределами упругости – σУПР, пропорциональности – σпц и текучести – σ0,2.

Предел прочности – σВ, сопротивление срезу – τср и сдвигу – τсдв, твер-

дость вдавливанием (по Бринеллю) НВ и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина LР являются характеристиками материала в области больших деформации вплоть до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относи- тельном сужением ψ после разрыва, а способность к деформации ряда не- металлических материалов – удлинением при разрыве δР.

Кроме того, при ударном изгибе определяется ударная вязкость образ- ца с надрезом КСU (KCV, KCT).

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление ма- териалов переменным и длительным статическим нагрузкам. При повтор- ном нагружении в области многоцикловой усталости определяется предел выносливости на базе 107–2· 107 циклов. Малоцикловая усталость опреде- ляется от многоцикловой условно выбранной базой испытания (N ≥ 5· 104 циклов) и отличается пониженной частотой нагружения (f = 0,1–5 Гц).


Сопротивление малоцикловой усталости оценивается по долговечно- сти при заданном уровне повторных напряжений или пределом малоцик- ловой усталости на выбранной базе испытаний.

Сопротивление длительным статическим нагрузкам определяется, как правило, при температуре выше 20 °С.

Критериями сопротивления материалов длительному воздействию по- стоянных напряжений и температуры являются пределы ползучести σ0,2 и длительной прочности στ. Предел длительной прочности определяется при заданной базе испытаний (обычно 100 и 1000 часов), предел ползучести – по заданному допуску на остаточную (обычно 0,2%) или общую деформа- цию при установленной базе испытаний.

Третью группу составляют характеристики разрушения. В инженер- ной практике эти характеристики используются сравнительно недавно.

Характеристики разрушения определяются на образцах с заранее вы- ращенными начальными трещинами и оцениваются следующими основны- ми параметрами: вязкостью разрушения, критическим коэффициентом ин- тенсивности напряжений при плоской деформации К, условным критиче- ским коэффициентом интенсивности напряжений при плосконапряженном состоянии КС, удельной работой образца с трещиной КСТ и скоростью рос- та трещины усталости СРТУ при заданном размахе интенсивности напря- жений ∆К.

Среди механических свойств только упругие свойства металлических материалов являются структурно нечувствительными характеристиками, связанными с параметрами кристаллической решетки и практически не за- висящими от режимов термомеханической обработки, если последние не вызывают полиморфных превращений. Для практически изотропных по- ликристаллических металлических материалов упругие константы связаны соотношением Е = G (1+ µ). Упругие свойства определяют при статиче- ских испытаниях (ЕСТ, GСТ) или динамическим методом (ЕДИН, GДИН) по ре- зонансной частоте колебаний тонкого стержня равномерного сечения под действием малых напряжений. Значения упругих констант, определенных обоими методами, при температуре 20 ºС и близких к ней практически одинаковы. С повышением температуры при статических испытаниях ска- зывается влияние деформации ползучести, вследствие чего этот метод дает прогрессирующее понижение значений упругих констант относительно данных, полученных динамическим методом.

Все другие механические свойства в большей или меньшей степени структурно чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уро- вень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения


в продольном направлении относительно оси деформации зерен материала обычно выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например тита- новых, сплавов характерна «обратная» анизотропия. Наблюдается значи- тельная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у боль- шинства магниевых деформируемых сплавов (σ0,2 СЖ<< σ0,2).

Между некоторыми характеристиками механических свойств экспе- риментально установлены зависимости, позволяющие с достаточной сте- пенью точности оценивать предел прочности материалов по значениям твердости, а сопротивление срезу – по пределу прочности. Существуют также корреляционные связи между пределом выносливости и пределом прочности, а также между различными характеристиками разрушения.

 



Деформации и напряжения

А

Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в материале под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и пр.). Для изучения напряжений через произвольную точку тела мысленно про- водится сечение (рис. 3.1) и отбрасывается одна из половин тела. Дейст- вие отброшенной половины на другую половину заменяют внутренними силами.

P

τ
dF
А
dS
σ

 

 

Рис.3.1. Схема замены внешних сил на внутренние напряжения

В малом элементе сечения площадью dS в окрестности произвольной точки А действует произвольно направленная внутренняя сила dF. Отношение р = dF/dS называется вектором напряжения в точке А по площадке dS. Составляющие вектора напряжения, действующие по норма- ли к площадке, обозначаются σ и называются нормальными напряжения- ми, а действующие вдоль площадки называются касательными напряже- ниями τ в точке А по площадке dS, причём σ2 + τ2 = р2 .

В общем случае напряженное состояние тела в точке А характеризует- ся совокупностью всех векторов напряжений для всевозможных сечений (площадок, проходящих через точку А), а значит и для любого направле- ния. Напряженное состояние в точке А может быть определено с помощью тензора напряжений и характеризуется девятью компонентами по трем


осям координат (три нормальных и шесть касательных). Касательные на- пряжения попарно равны (τху = τух, τхz = τ, τуz = τ), т. е. остается всего шесть компонентов. Напряжения выражаются в Па (паскалях).


 

Тн =


o x

xy

xz


yx

o y

yz


zx

zy

o z


 

.                                                    (3.1)


Для тензора характерным является закон, по которому преобразуется его компоненты при повороте осей координат. При повороте системы ко- ординат можно отыскать такое ее положение, когда касательные напряже- ния будут равны нулю. Эти направления называют главными.

Главные направления тензора напряжений определяются условием, зависящим от трех инвариантов I1, I2, I3 .

Первым инвариантом I1 тензора напряжений является сумма нор- мальных напряжений:

I1 = σх + σу + σz = 3σ0.                                                 (3.2)

Среднее значение трёх нормальных напряжений называют гидроста- тическим давлением:

σ0 = (σх + σу + σz)/3.                                                       (3.3)

Гидростатическому давлению соответствует тензор напряжений, нор- мальные компоненты которого равны σ0, а касательные – нулю. Поскольку гидростатическое давление не вызывает в металле пластических деформа- ций, его исключают из системы напряжений. Оставшуюся часть тензора называют девиатором напряжений Sσ:


ì Sx


xy xz ü


í
Ss = ït yx


Sy t


ï

yz ý.


(3.4)


î
ït zx


zy


Sz ï


þ
Второй инвариант I2 тензора напряжений определяется следующим выражением:

I2 = σх σу + σх σz + σуσz – τ2ху – τ2уz – τ2.                     (3.5)

I2 (Ss )
3I2 (Ss )
Величины, пропорциональные корню квадратному из второго инвари- анта девиатора напряжений, называют интенсивностью касательных на- пряжений τi и интенсивностью нормальных напряжений σi:


t i =           ,s i


=             .                                     (3.6)


Напряжения в материале могут возникнуть при физико-химических процессах, при неравномерном распределении температуры (при нагреве и охлаждении металла), а также вследствие фазовых превращений при тер- мической обработке. При этом напряжения, возникающие в объеме всего тела, называют макронапряжениями (или напряжениями Ι рода), а напря-


жения, возникающие в объеме одного зерна, называют микронапряже- ниями (или напряжениями ΙΙ рода). Напряжения, возникающие в объемах порядка нескольких параметров кристаллической решетки, называются субмикроскопическими (или напряжениями ΙΙΙ рода). Деформациями назы- вают изменения формы или размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, а также при нагревании или охлаждении и других воздейст- виях, вызывающих изменение относительного положения частиц тела (рис. 3.2).

   

 

         

∆ l/2

    dz+ ∆ dz

∆ l/2

l

 

dz


                                                                                                                                                                                                                                                                                               

                                                                                                                                                                                                                                                                                                

z
γ
a)

y

б)

Рис. 3.2. Схема деформации: а) линейная деформация, б) угловая деформация

С геометрической точки зрения деформированное состояние в точке описывается тензором деформации:


 

ij


e x

= e yx

zx


xy

e y

zy


xz

yz .

e z


 

(3.7)


Компоненты


e x , e y ,e z , характеризуют линейные деформации воло-


кон, расположенных по осям x, y, z: относительные удлинения (или отно-


сительные укорочения), а компоненты


xy , e xz , e yz


– углы поворота двух


взаимно перпендикулярных до деформации волокон (или деформации сдвига).

Для компонент деформаций сдвига справедливы равенства:


xy


= e yx


= 1 g

2


xy ,


xz


= e zx


= 1 g

2


zx , e zy


= e yz


= 1 g

2


yz .         (3.8)


При повороте системы координат все компоненты тензора деформа- ции преобразуются по определенным линейным относительно направ- ляющих косинусов соотношениям. В теории деформации и линейных пре- образований доказывается, что из всех возможных направлений осей ко- ординат существует тройка взаимно перпендикулярных направлений (главных направлений), относительно которых все сдвиговые компоненты


деформации равны нулю. Главные направления деформаций определяются тремя скалярными величинами, не зависящими от положения системы ко- ординат и поэтому называемыми инвариантами.


Первый инвариант


I1 =


e x + e y + e z


используется для записи условия по-


стоянства объема деформируемого металла:

I1  =  e x + e y + e z = 0.                                                    (3.9)


Второй инвариант тензора деформации имеет вид:

I2 = (e - e )2  + (e - e )2  + (e - e )2  + 3 (g 2  + g 2


 

+ g 2


).   (3.10)


x    y          y    z


z    x      2 xy


yz    zx


Величина, пропорциональная корню квадратному из второго инвари- анта, называется интенсивностью деформаций и используется для харак- теристики деформаций в общем случае деформированного состояния.


e = 2


(e - e


)2  + (e


- e  )2  + (e


- e )2 + 3 (g 2


+ g 2


+ g 2 ). (3.11)


i   3   x   y         y   z


z   x     2 xy


yz   zx


Простейшие схемы деформирования – растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб. Первые две схемы (растяжение и сжатие) могут быть описаны только линейными компонентами, вторые (сдвиг, кручение, из- гиб) – только сдвиговыми (угловыми).

 








































































Дата: 2018-12-21, просмотров: 408.