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:

▪ Наследственное право. Шпаргалка

▪ Охрана и безопасность труда. Шпаргалка

▪ История политических и правовых учений. Шпаргалка

Смотрите другие статьи раздела Конспекты лекций, шпаргалки.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Ферроэлектрики научились выдерживать более 10 миллиардов циклов перезаписи 11.10.2026

Энергонезависимая память должна не только быстро записывать и сохранять информацию без постоянного питания, но и выдерживать огромное количество циклов перезаписи. Одним из перспективных вариантов такой технологии считаются ферроэлектрические материалы, однако их практическое применение долгое время ограничивалось сравнительно быстрым разрушением. Исследователям удалось установить механизм этого процесса на атомном уровне и предложить способ, который значительно увеличивает срок службы таких материалов. Работу выполнила группа ученых из Университета электронной науки и техники Сианя (Xidian University) совместно с коллегами из Гонконгского университета и Фуданского университета. Особый интерес специалистов вызвали ферроэлектрики со структурой вюрцита, в частности нитрид алюминия-скандия (AlScN). Эти материалы способны сохранять информацию благодаря изменению направления электрической поляризации на атомном уровне и хорошо совместимы с современными технологиями производства микросхем ...>>

Электромобиль VENTRA с системой очистки воздуха 11.10.2026

Даже автомобили без двигателя внутреннего сгорания не являются полностью безвредными для окружающей среды. При движении любой автомобиль изнашивает шины и тормозные элементы, в результате чего в воздух и на дорожное покрытие попадают мельчайшие частицы. Студенты Эйндховенского технологического университета решили обратить внимание именно на этот мало заметный источник загрязнения и создали концептуальный электромобиль VENTRA, способный собирать часть таких загрязняющих веществ непосредственно во время движения. Проект разработала команда TU/ecomotive, которая оснастила VENTRA специальной системой улавливания частиц, образующихся при износе шин и торможении. Авторы концепта считают, что переход на электрическую тягу сам по себе не решает проблему автомобильных выбросов. Более тяжелые электромобили дополнительно нагружают шины, а их электродвигатели способны обеспечивать очень быстрое ускорение, что также может способствовать повышенному износу резины. Собранные около колес частицы си ...>>

Лазерное переключение магнитов 10.10.2026

Технологии хранения данных постоянно стремятся уменьшить размеры элементов памяти и одновременно увеличить скорость записи информации. Один из возможных путей связан с использованием света, который способен переносить энергию с огромной скоростью и воздействовать на очень небольшие области материала. Инженеры Университета Калифорнии в Сан-Диего (UC San Diego) продемонстрировали необычный способ управления магнитным состоянием вещества, при котором внешнее магнитное поле вообще не требуется. В обычных жестких дисках информация записывается в виде последовательности крошечных магнитных областей, соответствующих значениям 1 и 0. Для изменения их состояния обычно необходимо внешнее магнитное поле, однако такой способ требует значительных энергетических затрат и ограничивает скорость записи. Исследователи UC San Diego предложили альтернативу - так называемое оптическое переключение, при котором магнитное состояние изменяется под воздействием лазерного излучения. По оценкам специалистов, ...>>

Случайная новость из Архива Процессор Intel Core i9-13900KS 15.01.2023 Компания Intel представила новый процессор Core i9-13900KS. Самый быстрый процессор Raptor Lake-S будет стоить 699 долларов, - на 110 долларов больше, чем Core i9-13900K. Чип включает 24 ядра (8 производительных ядер и 16 эффективных ядер), 32 потока, 36 МБ Intel Smart Cache и 20 линий PCIe (16 линий PCIe 5.0 и четыре линии PCIe 4.0). Он поддерживает память до DDR5 5600 МТ/с или до DDR4 3200 МТ/с. Core i9-13900KS развивает до 6,0 ГГц с технологией Intel Thermal Velocity Boost. Базовая частота также была увеличена с 3,0 до 3,2 ГГц (частоты относятся только к ядрам Performance). В процессор встроена графика UHD 770, вариант без графического ядра отсутствует. Максимальная мощность процессора по сравнению с Core i9-13900K не изменилась и осталась на уровне 253 Вт. При этом i9-13900KS поддерживает новый режим питания под названием Extreme Config, который увеличивает как PL1 (PBP), так и PL2 (MTB) до 320 Вт. Intel Core i9-13900K уже поступил в продажу. Intel установила цену в 699 долларов, что делает его самым дорогим процессором Raptor Lake для настольных ПК. Процессор также будет доступен у торговых партнеров и OEM-партнеров Intel в готовых системах.

Другие интересные новости:

▪ Солдатские сапоги как источник электроэнергии

▪ HEP-100/150/185 - источники питания для жестких условий эксплуатации

▪ Микропластик на дне океана опаснее, чем на поверхности

▪ Умные коммутаторы 100Gb/s Mellanox EDR InfiniBand

▪ Intel научит телевизоры узнавать людей

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Инструменты и механизмы для сельского хозяйства. Подборка статей

▪ статья Уотергейт. Крылатое выражение

▪ статья Что такое материя? Подробный ответ

▪ статья Специалист по актово-претензионной работе. Должностная инструкция

▪ статья CD-ROM в роли проигрывателя Audio-CD. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Устройство защиты источника питания от перегрузок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026