Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Владимирский Государственный Университет им. Столетовых»
РЕФЕРАТ
На тему «Физические основы пластичности и прочности металлов.»
Выполнил: ст. гр. ЗСв-114 Спиридонова А.В.
План
Введение
1. Физические основы прочности металлов
2. Физические основы пластичности металлов
3. Теоретическая и техническая прочность
Заключение
Список литературы
Введение
Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.
Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.
Пластичность и прочность относятся к важнейшим свойствам твердых тел.
Оба эти свойства, взаимно связанные друг с другом, определяют собой способность твердых тел противостоять необратимому формоизменению и макроскопическому разрушению, т. е. разделению тела на части в результате возникающих в нем под воздействием внешних или внутренних силовых полей микроскопических трещин.
|
|
Для технолога очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанными на пластическом деформировании металла.
Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.
По показателям прочности, пластичности и т. д. производят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.
В физике и технике пластичность — способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки.
Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.
Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.
Цель настоящей работы – изучить физические основы пластичности и прочности металлов.
Физические основы прочности металлов
Прочность является фундаментальным свойством твердых,тел. Она определяет способность тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения.
|
|
Конечной целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов создания новых материалов с заданными свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.
Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:
непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) - олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;
прочные (от 50 до 500 МПа) - магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;
высокопрочные (более 500 МПа) - молибден, вольфрам, ниобий и др.
К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.
Временное сопротивление металлов указано в таблице 1.
Таблица 1.
Металл | Временное сопротивление, МПа | Металл | Временное сопротивление, МПа |
Титан | Цинк | 120-140 | |
Железо | 200-300 | Алюминий | 80-120 |
Медь | 200-250 | Золото | |
Магний | 120-200 | Олово | |
Серебро | Свинец |
Прочность металлов
Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.
Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l0 и площадью поперечного сечения F0.
Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l0 /d0 = 10 или короткие с l0 /d0 = 5 (где d0 - исходный диаметр образца).
На рис. 1, а приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.
До точки а эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению
σ = P/Fo,
где Р - приложенная нагрузка; Fo - начальная площадь поперечного сечения образца.
Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.
Теоретический предел пропорциональности - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией
σпц = Рпц /F0.
Так как при определении положения точка а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности, под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.
Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:
σ = Е эпсилон,
где эпсилон = (дельта l/lо) 100% - относительная деформация;
|
|
дельта l - абсолютное удлинение, мм;
l0 - начальная длина образца, мм.
Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести σ0,2 (б)
Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg aльфа), характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости.
При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.
Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.
Например, для различных углеродистых и легированных сталей после любой обработки Е = 21000 кгс/мм2.
Теоретический предел упругости - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:
σуп = Руп /F0.
Если действующее напряжение в детали (конструкции) меньше σуп, то материал будет работать в области упругих деформаций.
Ввиду трудности определения σуп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например σ0,005 и т. д.
Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.
Предел текучести - физический и условный- характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.
Физический предел текучести - напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке
σт = PТ /F0.
Ha диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок с - d, когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.
|
|
Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1, б):
σ0,2 =Р0,2 /F0
При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.
В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» - сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную.
Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление разрыву) - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:
σв = Pв /F0.
По своей физической сущности σв характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации.
За точкой В (см. рис. 1, а) в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке Pk происходит разрушение образца.
Истинное сопротивление разрушению - максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца
SK = Pк /FK,
где FK - конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.
Несмотря на то что нагрузка Рк <Рв, вследствие образования шейки FK <F0, и поэтому по величине SК значительно больше, чем σв.
Истинные напряжения. Рассмотренные показатели прочности: σт, σв и др., за исключением Sk, являются условными напряжениями, так как при их определении соответствующие нагрузки относят к начальной площади сечения образца F0, хотя последняя постепенно уменьшается по мере деформации образца. Более точное представление о напряжениях в образце дают диаграммы истинных напряжений (рис. 2).
Рис.2 Диаграмма истинных (S) и условных (σ) напряжений: ψ - поперечное сужение образца.
Истинные напряжения Si = Pi /Fi определяют по нагрузке Pi и площади поперечного сечения Fi в данный момент испытания. Примерно до точки b (рис. 2,) т. е. точки В на рис. 72, а, различие между истинными и условными напряжениями невелико и SB = σв. Затем истинные напряжения увеличиваются, достигая максимального значения Sk в момент, предшествующий разрушению.
При испытании на растяжение, кроме характеристик прочности, определяют также характеристики пластичности.