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 К1С, 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 |
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 = τzх, τуz = τzу), т. е. остается всего шесть компонентов. Напряжения выражаются в Па (паскалях).
Тн =
o x
t xy
t xz
t yx
o y
t yz
t zx
t 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
t xy t xz ü
| í |
Sy t
ï
yz ý.
(3.4)
| î |
t zy
Sz ï
| þ |
I2 = σх σу + σх σz + σуσz – τ2ху – τ2уz – τ2zх. (3.5)
| I2 (Ss ) |
| 3I2 (Ss ) |
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).
| ||||||||||||||||||
| z |
| γ |
y
б)
Рис. 3.2. Схема деформации: а) линейная деформация, б) угловая деформация
С геометрической точки зрения деформированное состояние в точке описывается тензором деформации:
e ij
e x
= e yx
e zx
e xy
e y
e zy
e xz
e 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
e xy , e xz , e yz
– углы поворота двух
взаимно перпендикулярных до деформации волокон (или деформации сдвига).
Для компонент деформаций сдвига справедливы равенства:
e xy
= e yx
= 1 g
2
xy ,
e 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: 478.
