ЛЕКЦИЯ № 6. Механические свойства металлов

1. Деформация и разрушение

Приложение нагрузки вызывает деформацию. В начальный момент нагружение, если оно не сопровождается фазовыми (структурными) изменениями, вызывает только упругую (обратимую) деформацию. По достижении некоторого напряжения деформация (частично) становится необратимой (пластическая деформация), необратимо при этом изменяются и строение металла и, следовательно, его свойства Зависимость деформации от напряжения изображается так называемой диаграммой растяжения. Условное напряжение:

σ = P / F0 (кгс/мм2),

где P- сила;

F₀ - начальное сечение, а ось абсцисс - относительная деформация:

ε = Δl / l,

где Δl - приращение длины,

l - начальная длина.

Тангенс угла наклона - прямой: tg α = σ / ε = Е - модуль нормальной упругости (в кгс/мм ²) - характеризует жесткость материала (сопротивление упругому деформированию), которая определяется силами межатомного взаимодействия, зависящими в первом приближении от температуры плавления металла. Поскольку легирование и термическая обработка очень слабо влияют на температуру плавления, модуль нормальной упругости можно рассматривать как структурно нечувствительную характеристику. У всех сталей Е ≈ 2 x10 ⁴ кгс/мм ², а у алюминиевых сплавов Е ~ 0,7 x 10 ⁴ кгс/мм ².

Условное напряжение, при котором нарушается пропорциональная зависимость между ε и σ, есть предел упругости (или предел пропорциональности).

Для технических целей (кроме упругих элементов) малое отклонение от пропорциональной зависимости не считается существенным, и обычно считается, что пластическая деформация наступает тогда, когда остаточная необратимая деформация ε_пл. становится равной 0,2 %. Условное напряжение, при котором = 0,2 %, называется пределом текучести (на диаграмме - σ_0,2) и характеризует сопротивление материала малой пластической деформации. Истинное напряжение достигает максимального значения в точке Z - при окончательном разрушении образца. Для высокопрочных и малопластичных материалов σ_В > 150 кгс/мм ², относительное сужение ψ (изменение сужения) в месте разрыва (разрушения) равно менее 40 %, а определяется ψ по формуле:

ψ = (F_о - F_х)F_о,

где F ₀ - сечение образца до разрушения;

F_x - сечение в момент максимальной деформации.

Разрушение может быть двух видов, которые можно назвать "разделение" (repture) и "разрушение" (wacture). Разделение типично для высокопластичных материалов (обычно это металлы высокой чистоты), деформирование которых после достижения точки ? _В приводит к 100 %-му сужению без образования поверхности разрушения. Во всех других случаях сужение достигает какого-то значения, после чего образец разрушается с образованием поверхностей разрушения.

Рис. 6. Виды разорванных образцов: а - разделение; б - разрушение с предварительной пластической деформацией; в - разрушение без предварительной пластической деформации.

Процессу разрушения предшествуют: упругая деформация и пластическая деформация.

2. Механические свойства металлов

Механические свойства металлов определяются следующими характеристиками: предел упругости σ_Т, предел текучести σ_Е, предел прочности относительное удлинение σ, относительное сужение ψ и модуль упругости Е, ударная вязкость, предел выносливости, износостойкость.

Твердость, определяемая простейшими неразрушающими методами, зависит в основном от содержания углерода и условий термической обработки стали. Для грубой оценки прочности можно пользоваться следующим соотношением: σ_В = НВ/3.

Все металлические детали машин в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных внешних нагрузок, которые могут производиться плавно, постепенно (статически) или мгновенно (динамически). Воздействуя на детали, внешние нагрузки изменяют их форму, т. е. деформируют Свойство материалов из металла и сплавов принимать первоначальную форму после прекращения действия внешних сил называется упругостью, а деформация, исчезающая после снятия нагрузки, получила название упругой. Если к металлической детали приложить большие усилия и после прекращения их действия она не примет своей первоначальной формы, а останется деформированной, то такая деформация называется пластической. Способность металлических материалов и деталей деформироваться под воздействием внешних нагрузок, не разрушаясь, и сохранять измененную форму после прекращения действия усилий называется пластичностью. Материалы из металлов, не способные к пластическим деформациям, называются хрупкими.

Важным свойством материалов и деталей из металлов наряду с упругостью и пластичностью является прочность. Металлические детали или инструмент в зависимости от условий работы должны обладать определенными механическими свойствами - прочностью, упругостью, пластичностью.

При длительной эксплуатации металлические детали машин подвергаются повторно-переменным нагрузкам (растяжение - сжатие). При напряжениях, меньших предела текучести или предела упругости, они могут внезапно разрушиться. Это явление называется усталостью металлов. Пределом выносливости (усталости) называют максимальное напряжение, которое выдерживают материалы и детали из металлов, не разрушаясь, при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).

Для стальных образцов эту характеристику устанавливают при 10 млн. циклов, для цветных металлов - при 100 млн. циклов. Предел выносливости обозначают греческой буквой? _-1 и измеряют в Па.

В процессе работы многие детали машин нагреваются до высоких температур, достигающих 1000 °C и более. Для таких деталей важной характеристикой является жаропрочность - способность материалов из металлов и сплавов сохранять необходимую прочность при высоких температурах. У металлов и сплавов, работающих длительное время под нагрузкой при высоких температурах, наблюдается явление ползучести, т. е. непрерывная пластическая деформация под действием постоянной нагрузки (металл "ползет").

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

Поверхностное упрочнение металлов и сплавов широко применяется во многих отраслях промышленности, в частности в современном машиностроении. Оно позволяет получить высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении достаточно вязкой сердцевины, способствует повышению долговечности и усталостной прочности. Некоторые методы поверхностного упрочнения отличаются высокой производительностью. В ряде случаев они с большой эффективностью используются вместо обычных методов термической обработки. Существует большое количество деталей, к свойствам поверхностного слоя металла которых предъявляются иные требования, нежели к свойствам внутренних слоев. Например, зубья шестерен в процессе работы испытывают сильное трение, поэтому они должны обладать большой твердостью, однако иметь небольшую твердость и хорошую вязкость, с тем чтобы зубья не разрушались от толчков и ударов. Следовательно, зубья шестерен должны быть твердыми на поверхности и вязкими в сердцевине.

Наиболее распространенным способом упрочнения поверхностного слоя металлов и сплавов является поверхностная закалка, при которой высокую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя деталей. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. В настоящее время наибольшее распространение получила поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот высокопроизводительный прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации.

Детали сложной формы, ленточные пилы, режущий инструмент (фрезы, сверла), рычаги, оси подвергают импульсной поверхностной закалке. Для этого закаливаемую часть детали нагревают до температуры, превышающей температуру обычного нагрева данного материала под закалку, и затем охлаждают с большой скоростью за счет отвода тепла в остальную массу детали без применения охлаждающих сред. В результате импульсной закалки получают закаленный "белый" слой, устойчивый при отпуске до температуры 450 °C, обладающий мелкозернистой структурой, высокой твердостью и износостойкостью.

Автор: Алексеев В.С.

<< Назад: Сплавы (Строение металлов. Кристаллизация и структура металлов и сплавов. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Классификация сплавов. Железо и его сплавы. Диаграммы состояния сплавов)

>> Вперед: Железоуглеродистые сплавы (Диаграмма железо-цементит. Стали: классификация, автоматные стали. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие)

Рекомендуем интересные статьи раздела Конспекты лекций, шпаргалки:

▪ Концепции современного естествознания. Конспект лекций

▪ Товароведение. Шпаргалка

▪ Акушерство и гинекология. Конспект лекций

Смотрите другие статьи раздела Конспекты лекций, шпаргалки.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Летучие мыши притворяются осами 17.05.2022 Летучие мыши охотятся на насекомых, а кто охотится на летучих мышей? Птицы. Естественно, не синицы с воробьями, а хищные птицы, причем ночные, то бишь совы - не будем забывать, что многие летучие мыши активны в сумерках или вообще ночью. От совы увернуться трудно, однако некоторые летучие мыши нашли способ: они отпугивают сов, жужжа, как пчелы или осы. Сотрудники Неаполитанского университета имени Фридриха II, изучающие больших ночниц, заметили как-то раз, что пойманные ночницы жужжат по-осиному. Причем это были не обычные позывные летучих мышей: для общения друг с другом и для охоты они используют другие сигналы. Исследователи поймали еще несколько ночниц, записали их жужжание и сравнили его с жужжанием двух видов пчел и двух видов ос, которых часто можно встретить в европейских лесах. Звуки летучих мышей оказались во многом непохожими на звуки насекомых - но это если сличать их с помощью специальных алгоритмов, которые учитывают все акустические параметры. Однако даже совы, с их прекраснейшим слухом, слышат только в определенном диапазоне частот. И вот когда исследователи ограничились частотами, которые слышат серые неясыти и обыкновенные сипухи, то выяснилось, что жужжание ночниц очень даже похоже на жужжание пчел и ос. Причем особенно удачно летучие мыши копируют шершня - большую осу с весьма болезненным ядом. Действительно ли совы слышат шершней в жужжании ночниц? Нескольким неясытям и сипухам прокрутили в записи звуки ночниц и насекомых, и птицы в обоих случаях старались держаться подальше от источника звука. Наоборот, когда до них доносились обычные звуки летучих мышей, совы заинтересованно к подлетали к динамику, вероятно, рассчитывая на добычу. По мнению ученых, это пример так называемой бейтсовской мимикрии, когда кто-то безобидный притворяется кем-то опасным - например, когда муха имитирует черно-желтую окраску осы или когда жаба притворяется гадюкой. Жаба, кстати, похожа не только внешне на голову гадюки, но и шипит как она. Птицы обычно избегают иметь дело с осами и пчелами (за исключением отдельных видов, типа щурок и осоедов, которые их едят), так что есть свой смысл в том, что летучие мыши имитируют жужжание шершней. И это пока что единственный известный нам пример, когда млекопитающие решили притвориться насекомыми.

Другие интересные новости:

▪ Спектрометр в кармане

▪ Пленка-невидимка для передачи секретных сообщений

▪ Изобретена несокрушимая литий-серная батарея

▪ Скульптуры со дна Роны

▪ Материал с программируемым самоуничтожением

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Афоризмы знаменитых людей. Подборка статей

▪ статья Комплекс печь-камин-плита. Советы домашнему мастеру

▪ статья Что принесла стране Великая французская революция и правление Наполеона? Подробный ответ

▪ статья Фисташка мастичная. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Эликсиры для полоскания зубов. Простые рецепты и советы

▪ статья Опыт с сухой палкой. Физический эксперимент

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025