Механические свойства материалов

5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

5.1. Методы механических испытаний материалов.

Свойства материалов подразделяются на физические, химические, технологические и механические.

Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим свойствам относятся плотность материалов их теплоёмкость, температура плавления, электро - и теплопроводность, магнитные характеристики и т. д.

Химические свойства отражают способность материалов вступать в химические взаимодействия с другими веществами, в частности, сопротивляться окислению, проникновению газов и других химически активных веществ.

Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. Для металлов это: штампуемость, свариваемость, литейные характеристики и т. д.

Успех эксплуатации различных деталей, механизмов и конструкций в значительной мере зависит от механических свойств. Под механическими свойствами понимают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К механическим свойствам относятся твёрдость, прочность, пластичность, вязкость и т. д.

Для оценки механических свойств материалов проводят специальные испытания, в которых нагрузки, подаваемые на материал, могут быть статическими, динамическими или циклическими.

Статические нагрузки подаются плавно и относительно долго выдерживаются. К статическим испытаниям относятся, в частности, испытания на одноосное растяжение, а также определение твёрдости материалов. Твёрдостью называют способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии. Для определения твёрдости в материал под нагрузкой вдавливают либо стальной закалённый шарик (метод Бринеля), либо алмазную пирамидку (метод Виккерса). Твёрдость определяют по отношению нагрузки к площади отпечатка. В методе Роквелла твёрдость определяют по глубине проникновения в материал алмазного конуса или стального закалённого шарика.

В динамических испытаниях нагрузки являются кратковременными (ударными). К испытаниям такого рода относятся испытания на ударный изгиб, в которых определяется ударная вязкость материала. Метод основан на разрушении стандартного образца с надрезом одним ударом маятникового копра (топора). По разнице высот поднятия копра до и после удара определяют работу разрушения Ар, а затем ударную вязкость материала:

КС = Ар / S0 , (4)

где S0 - площадь поперечного сечения образца в месте надреза. Вязкие материалы отличаются от хрупких более высоким значением КС. Если испытания проводятся при понижающихся температурах, то появляется возможность определять порог хладноломкости материала, т. е. такую температуру, при которой вязкое разрушение сменяется хрупким.

Циклические нагрузки имеют продолжительный характер и могут изменяться со временем по определённому закону (например, синусоидальному). К динамическим испытаниям относятся испытания на усталость и ползучесть материала. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений. Следствием усталости является образование и развитие усталостных трещин, приводящих к разрушению материала. В испытаниях на усталость образец круглого сечения вращается в условиях постоянно действующей нагрузки на изгиб. (Рис 5.1). При этом напряжение в образце циклически меняет знак. В ходе испытаний регистрируют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов. В результате определяют предел выносливости s-1 – максимальное напряжение цикла, которое выдерживает металл без разрушения.

Кроме характера подаваемых на материал нагрузок в механических испытаниях могут также варьироваться параметры окружающей среды (температура, влажность, химическая активность и т. д.).

s

t

 

Р

Рис. 5.1. Циклические испытания материала.

5.2. Деформация металлов. Диаграмма растяжения.

Деформацией называют изменение размера и формы образца без его разрушения под воздействием различного рода нагрузок. Деформация бывает упругой и пластической.

Упругая деформация возникает при относительно небольших напряжениях в образце и исчезает после снятия внешней нагрузки. При более высоких напряжениях наряду с упругой появляется пластическая или остаточная деформация, которая сохраняется после снятия внешней нагрузки.

Способность материалов испытывать значительную пластическую деформацию перед разрушением называют пластичностью. Многие металлы и сплавы отличаются достаточно высокой пластичностью.

Деформацию материалов, в частности металлов и сплавов, изучают при испытаниях на одноосное растяжение. В этих испытаниях образец стандартной формы (пруток) закрепляется в зажимах так называемой разрывной машины и к его торцам прикладывается растягивающая сила F.

F S0 F l0

где S0 - начальная площадь поперечного сечения прутка, l0 - начальная длина.

В процессе испытания измеряется деформация образца ε:

и напряжение в образце σ: , МПа.

В результате получают диаграмму растяжения материала, то есть график зависимости напряжения от деформации.

Рассмотрим типичную для металлов диаграмму растяжения.

На данной диаграмме выделяются 4 характерных участка: ОА, АВ, ВС и СD. Участок ОА (намерено увеличенный для наглядности) соответствует упругой деформации. На этом участке наблюдается линейная зависимость напряжения от деформации, то есть . Разгрузка образца здесь происходит по той же линии ОА, но в обратном направлении. Когда напряжение становится равным нулю (σ = 0) деформация полностью исчезает (ε= 0).

Коэффициент пропорциональности Е называют модулем упругости. Его величина характеризует жёсткость материала. Чем больше Е, тем круче участок ОА и, соответственно, выше жёсткость материала.

При напряжении σT нарушается пропорциональность между деформацией и напряжением. Наряду с упругой деформацией появляется пластическая составляющая. Напряжение σT называют теоретическим пределом текучести. У некоторых пластичных металлов при этом напряжении на диаграмме Растяжения наблюдается горизонтальный участок АВ (площадка текучести), на котором пластическая деформация образца происходит без заметного повышения напряжения. В этом случае предел текучести является реальным, физически фиксируемым. Для тех материалов, у которых такой площадки не наблюдается, используют условный предел текучести σ0,2 - это такое напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет величину 0,2%.

Если напряжение на образце превышает предел текучести (точка F), то деформация образца имеет две составляющие: e = eУПР + eОСТ. Разгрузка образца в таком случае происходит не по линии нагрузки, а по линии FG, параллельной участку ОА. При этом упругая составляющая деформации исчезает, а пластическая сохраняется.

В точке С наблюдается максимальное напряжение, предшествующее разрушению материала. Это максимальное напряжение σB называют временным сопротивлением или пределом прочности. σT и σВ характеризуют прочность материала. Чем они больше, тем прочнее материал.

Участок CD соответствует появлению и развитию на образце локального сужения (шейки). Фактическое напряжение здесь продолжает увеличиваться за счёт уменьшения площади поперечного сечения образца, но регистрируемое напряжение s = F / S0 уменьшается. Точка D соответствует разрыву образца.

Площадь под кривой растяжения пропорциональна работе разрушения материала. Чем больше эта площадь, тем больше работа разрушения и соответственно выше вязкость материала

Величину называют относительным удлинением, а величину – относительным сужением.

Обе эти величины характеризуют пластичность материала. Чем они больше, тем пластичней материал. Если , а , то материал считается надёжным.

5.3. Механизм упругой и пластической деформации.

При упругой деформации атомы материала смещаются на небольшие расстояния относительно друг друга. При этом возникают межатомные силы притяжения или отталкивания, в зависимости от того сближаются или удаляются атомы. После снятия внешней нагрузки атомы материала под действием этих сил возвращаются в своё исходное, равновесное положение. В результате размеры и форма образца полностью восстанавливаются, то есть деформация оказывается обратимой.

При пластической деформации происходит сдвиг одной части материала относительно другой части. Сдвиг осуществляется по атомным плоскостям, которые называют плоскостями скольжения.

После снятия внешней нагрузки, сдвинутые атомные плоскости в исходное положение не возвращаются, поэтому пластическая деформация является необратимой. Обычно в роли плоскостей скольжения выступают наиболее плотноупакованные атомные плоскости слабо связанные друг с другом межатомными силами.

В первую очередь сдвиг происходит по плоскостям скольжения, расположенным под углом 45 градусов к внешней нагрузке, так как в этих плоскостях создаётся наибольшее сдвиговое напряжение sT :

 

S0

α

F

Fn

sT = max, при a = 450

В следующий момент в движение вовлекаются другие плоскости, расположенные под углом больше и меньше 45 градусов (46, 44; - 47, 43 и т. д.)

Теоретические расчеты показывают, что для сдвига одной части металла относительно другой части требуются напряжения, в сотни раз превосходящие те, которое наблюдаются в действительности. Причина столь сильного отличия теоретической прочности металлов от их реальной прочности заключается в том, что атомные слои при пластической деформации смещаются не сразу целиком, а поэтапно, т. е. атомными рядами. Для реализации такого механизма смещения необходимо отсутствие хотя бы одного атомного ряда в плоскости скольжения. В реальных металлах подобные дефекты структуры всегда присутствуют и в большом количестве, это дислокации. Благодаря дислокациям сдвиг атомных слоёв происходит при гораздо меньших напряжениях.

Схема дислокационного механизма сдвига атомных слоёв следующая:

Как видно из рисунка смещение атомной плоскости можно рассматривать как движение дислокации в обратном направлении. При выходе дислокации на поверхность кристалла образуется своеобразная «ступенька» и таким образом реализуется сдвиг одной части кристалла относительно другой его части.

Чем легче перемещаются дислокации, тем меньше напряжения, при которых осуществляется сдвиг атомных слоёв, и следовательно пластическая деформация. Прочность бездефектных кристаллов, так называемых «усов», близка к теоретической.

С увеличением плотности дислокаций прочность материалов сначала уменьшается, а затем начинает плавно возрастать.

Отожженные металлы

Усы

s, МПа

r, см-2

Возрастание прочности металлов с повышением плотности дефектов обусловлено ограничением подвижности дислокаций из-за резкого увеличения интенсивности их взаимодействия.

5.4. Наклёп или упрочнение металлов под воздействием

холодной пластической деформации.

Если металл нагрузить до напряжений σ превышающих предел текучести (σ > σт), то наряду с упругой деформацией появится пластическая составляющая деформации, которая не исчезает после разгрузки образца. При следующем акте нагружения металл начнёт пластически деформироваться уже не при σт, а при напряжении σ , до которого его нагрузили на предыдущем этапе. И т. д. Получается, что у материала под воздействием пластический деформации повышается предел текучести σт. Кроме предела текучести под воздействием пластический деформации повышается и предел прочности σB, но менее стремительно. Разница между σT и σB сокращается, что ведёт к сокращению запаса пластичности материала, т. е. уменьшению его относительного удлинения δ и относительного сужения ψ. Такое изменение механических свойств материала под воздействием пластической деформации называют наклёпом.

При наклёпе изменяется микроструктура материала. Зёрна металла становятся вытянутыми в направлении деформации. Говорят, что в материале появляется текстура, т. е. преимущественная ориентация зёрен.

На границах вытянутых зёрен при большом увеличении микроскопа можно увидеть «ступеньки», являющиеся результатом выхода дислокаций на поверхность зерен.

Причиной наклёпа является резкое возрастание в металле плотности дислокаций. Дело в том, что при пластической деформации происходит интенсивное нарождение всё новых дислокаций, которые приходят на смену вышедших на поверхность. По мере нарастания пластической деформации плотность дислокаций увеличивается и может достичь уровня 1012 см/см3. При такой высокой плотности дислокации начинают «зацепляться», «переплетаться», что ведёт к ограничению их подвижности.

Таким образом, наклёп - это упрочнение металлов под воздействием пластической деформации, причиной которого является резкое возрастание плотности дислокаций, ведущее к ограничению их подвижности и, следовательно, к потере материалом пластичности.

5.5. Возврат и рекристаллизация деформированных металлов.

Под воздействием пластической деформации резко возрастает плотность дефектов структуры (точеных и линейных), кристаллическая решётка металла искажается, возникают внутренние напряжения, зёрна материала вытягиваются в направлении деформации. Материал с такой структурой имеет повышенную свободную энергию и поэтому его состояние оказывается неравновесным. При длительной выдержке, металл стремится к более устойчивому, равновесному состоянию. Этот процесс ускоряется (активизируется) с повышением температуры.

Переход деформированного металла при нагреве в более устойчивое состояние называют возвратом. Температура возврата - T < 0,3Тплавления. Например, для стали она меньше 4000С. При возврате уменьшается плотность дефектов за счёт их аннигиляции и уничтожения на стоках. Частично снимаются внутренние напряжения и искажения кристаллической решётки. Материал переходит в более устойчивое, равновесное состояние, хотя видимых изменений в структуре пока не наблюдается, то есть зёрна по-прежнему остаются вытянутыми. Твёрдость и прочность материала при возврате несколько уменьшаются, а пластичность увеличивается. Таким образом, возврат только частично снимает наклёп.

При нагреве деформированного металла до более высоких температур наблюдается процесс рекристаллизации (перекристаллизации). На месте вытянутых зёрен образуются новые, округлые зёрна. Процесс рекристаллизации идёт в два этапа: первичная рекристаллизация и собирательная рекристаллизация. На первом этапе на границах вытянутых зёрен появляются зародыши новых кристаллов, которые растут за счёт поглощения вытянутых зёрен и вырастают округлыми. Собирательная рекристаллизация наблюдается при более высоких температурах. На этом этапе происходит укрупнение новых зёрен путём их объединения. Размер зерна после рекристаллизации зависит от степени деформации металла, температуры его нагрева и других факторов. Чем меньше степень деформации и выше температура нагрева, тем крупнее зёрна и наоборот, чем больше степень деформации и меньше температура, тем мельче зёрна. У материала с мелкозернистой структурой механические свойства лучше.

Температура рекристаллизации связана с температурой плавления материала: Tp = а Тпл. Для сплавов a находится в пределах от 0,5 до 0,6; для технически чистых металлов - от 0,3 до 0,4. Чем чище металл, тем меньше коэффициент a вплоть до 0,1. У олова и свинца комнатная температура является температурой рекристаллизации.

В процессе рекристаллизации полностью снимаются искажения кристаллической решетки и избыточные внутренние напряжения. Плотность дефектов резко уменьшается и достигает своего исходного значения (до деформации). Микроструктура материала также возвращается к исходному состоянию. Твёрдость и прочность металла уменьшаются, а пластичность увеличивается и достигает своего исходного значения. Таким образом, рекристаллизация полностью снимает наклёп.

В зависимости от температуры, при которой осуществляется деформация материала, различают деформацию холодную и горячую. Холодная деформация осуществляется при температурах ниже температур рекристаллизации. При этом развивается наклёп, и степень деформации оказывается ограниченной. Горячая деформация осуществляется при температурах рекристаллизации. При этом процесс рекристаллизации опережает процесс развития наклепа, и степень деформации металла может быть значительно больше. У некоторых металлов комнатная температура является температурой горячего деформирования.

5.6. Разрушение материалов.

Разрушение это заключительная стадия деформирования материала. Оно представляет собой разделение материала на отдельные составные части. С точки зрения атомной структуры, разрушение выглядит как разрыв межатомных связей. Разрыв может происходить двумя способами: 1) Под воздействием напряжений перпендикулярных плоскости разрыва (разрыв сколом или отрывом). 2) Под воздействием напряжений параллельных плоскости разрыва (то есть разрыв сдвигом или скольжением). В реальных материалах обычно имеют место оба вида разрыва.

Различают разрушение хрупкое и вязкое. При вязком разрушении наблюдается значительная пластическая деформация материала перед разрушением, при этом разрыв межатомных связей происходит преимущественно сдвигом или скольжением. При хрупком разрушении пластическая деформация значительно меньше или совсем отсутствует, а разрыв межатомных связей происходит преимущественно сколом или отрывом. Чисто вязкое разрушение наблюдают у таких материалов как глина, пластилин, а чисто хрупкое - у и т. д. Большинству реальных материалов присущи одновременно оба вида разрушения, а подразделение материалов на хрупкие или вязкие осуществляется по преобладающему механизму разрушения. Так, глина и пластилин являются вязкими материалами, а стекло и алмаз – хрупкими.

Вид разрушения характеризуется величиной работы разрушения, видом трещины и поверхности излома, а также скоростью распространения трещины.

При вязком разрушении работа разрушения значительно больше, чем при хрупком разрушении. Работа разрушения пропорциональна площади под кривой растяжения материала:

Хрупкое разрушение наиболее опасно. Обычно оно начинается с некоторого дефекта: царапины на поверхности, выбоины, поры, неметаллических включений, сварного шва, технологических отверстий и изгибов и т. д. Хрупкое разрушение происходит в три стадии:

1) Зарождение микротрещины на дефектах.

2) Подрастание трещины до критического размера.

3) Распространение трещины через весь образец, т. е. возникновение магистральной трещины.

При хрупком разрушении третья стадия происходит самопроизвольно без дополнительного деформирования образца, то есть без дополнительного подвода энергии извне. Трещина растёт за счёт упругой энергии, накопленной на предыдущей стадии деформирования. Скорость распространения такой трещины сравнима со скоростью распространения звука в данном материале.

При вязком разрушении скорость распространения трещины зависит от скорости деформирования материала. При этом требуется подвод энергии извне, т. е. дополнительная деформация.

Хрупкая трещина имеет малый угол раскрытия, т. е. является острой трещиной и, как правило, ветвится. Вязкая трещина имеет большой угол раскрытия, т. е. является тупой трещиной.

Поверхность излома при хрупком разрушении оказывается блестящей и под микроскопом обнаруживает платообразную структуру:

При вязком разрушении поверхность излома оказывается матовой и под микроскопом обнаруживает волокнистую структуру:

У многих вязких металлов при понижении температуры наблюдается смена преобладающего механизма разрушения. Свойство материалов разрушатся хрупко при низких температурах называют хладноломкостью. Существует некая критическая температура хрупкости, которая, вообще говоря, не является константой материала, а зависит от множества различных факторов, таких как состав и структура материала, скорость деформирования, параметры внешней среды и т. д.

В заключение необходимо отметить, что стадия разрушения материала, с момента появления первых повреждений, может составлять до 90% долговечности конструкции.