Общие понятия и определения механических свойств

Доцент к.т.н. Фигуровский Д.К.

Упругие свойства и неполная упругость металлов

ТЕМА. Общие понятия и определения механических свойств.

По дисциплине 4638 «Механические свойства и дефекты

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ТИ-6

_________ Крашенинников А.И.

«___»_________200__г.

Для студентов 3 курса

факультета ТИ

специальности 150601

ЛЕКЦИЯ № 6

кристаллического строения металлов» для специальности

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции: Понятия и определения механических свойств.

Освоение теоретических знаний по курсу «Механические свойства и дефекты кристаллического строения металлов» - темы Общие понятия и определения механических свойств. Упругие свойства и неполная упругость металлов

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

1. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. -М.: Металлургия, 1990. - 336 с.

2. Золоторевский В.С. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1998. - 399с.

З. Золоторевский В.С., Портной В.К. Механические свойства металлов. Часть 1.Статические испытания. Лабораторный практикум. М.: МИСиС. 1987. № 534.-143с..

4. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение термообработка и рентгенография. М. МИСиС, 1994, 480с.

5. Богатов А.А. Механические свойства и модели разрушения металлов. Екатеринбург: ГОУ впо УГТУ-УПИ. 2002.329с.

6. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел.М. Наука, 1974г., 560с.

7. Фигуровский Д.К. Алиев Р.Т. Механические свойства и теория термической обработки металлов и сплавов. Практикум М.; МГУПИ. 2007г. 186с.

Учебно-материальное обеспечение:

Использование компьютерной техники для электронной призентации наглядных материалов лекции

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Введение – 5 мин. Теоретическое и прикладное значения

механических свойств.

Основная часть (учебные вопросы) – до 80 мин.

1-й учебный вопрос. Состояние теории механических свойств.

2-й учебный вопрос. Напряжения и деформации..

Заключение – 5 мин. Выводы по прочитанной лекции. Ответы на

вопросы студентов.

Одной из основных задач, постоянно стоящих перед металлургической и металлообрабатывающей промышленностью, является повышение качества металлических материалов, в частности улучшение их механических свойств, которые определяют поведение металлов и сплавов при эксплуатации (конструкционная прочность) и обработке (сопротивление деформированию и технологическая пластичность). Для оценки механических свойств металлических материалов в связи с многообразием условий эксплуатации и обработки проводят различные испытания, в той или иной степени имитирующие эти условия.

Цель курса “Механические свойства металлов” – дать студентам основные представления о современной теории механических свойств и практике их экспериментального определения и на этой основе научить их анализировать связи механических свойств с составом и структурой материалов в разных условиях испытаний.

При изложении методов механических испытаний основное внимание уделено особенностям, преимуществам и недостаткам того или иного метода его применения, в частности в связи с условиями эксплуатации или обработки испытываемого материала, а также методикам расчета свойств по первичным результатам. Кратко описаны соответствующие машины и приборы.

Другая задача, которую нужно решить при изучении курса, - кратко изложить современные представления теории механических свойств и проанализировать зависимость этих свойств от состава и структуры металлов и сплавов. Влияние состава и структуры на механические свойства обсуждаются практически во всех металловедческих курсах. Здесь даются лишь основные, исходные представления.

В области теории механических свойств за последние десятилетия произошел коренной переворот, который, однако, еще далеко не завершен. Теория дефектов кристаллической решетки позволила перейти от феноменологического и нестрогого описания картины пластической деформации и разрушения к физически обоснованному анализу атомного механизма этих процессов и соответственно к более строгой трактовке механических свойств. Однако, вопросы эти, как будет показано ниже, настолько сложны, что понадобится, по-видимому, еще довольно длительное время для создания количественной теории всех механических свойств. Пока же использование представлений о линейных, точечных и поверхностных дефектах кристаллического строения позволяет лишь качественно (редко количественно) вскрыть физический смысл некоторых основных механических характеристик и объяснить их зависимость от различных факторов. Поэтому там, где это возможно и необходимо, при трактовке свойств используются представления теории дефектов кристаллической решетки. Кроме элементов теории дефектов решетки, для понимания материалов курса надо знать основы классического сопротивления материалов и металловедения.

Все механические свойства определяются процессами деформации и разрушения в различных условиях нагружения. Эти процессы идут и во время технологических операций обработки и, конечно, во время эксплуатации конструкций и отдельных деталей.

Деформация, во время которой могут изменяться формы и размеры тела, идет под действием внешних нагрузок (напряжений). Деформация, исчезающая после разгрузки (снятия напряжения), называется упругой, а сохраняющаяся после прекращения действия внешних напряжений, - остаточной. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической.

Фундаментальными характеристиками величины деформации, которые используются в теориях упругости и пластичности, являются относительные удлинения e и сдвиги g:

e = , (2.1)

g = tg a, (2.2)

где l_o и l_k - начальная и конечная длина (рис. 2.1а)

a - угол сдвига (в радианах) – рис. 2.1б.

Удлинение происходит под действием растягивающих S, а сдвиг – под действием касательных напряжений t. Известно, что напряжения являются удельной нагрузкой и в простейшем случае одноосного растяжения стержня определяются как отношение

S = P/F, (2.3)

где S - растягивающее напряжение,

F - площадь сечения, перпендикулярного продольной оси стержня, вдоль которого действует нагрузка.

Растягивающее напряжение относится к нормальным и его величине приписывается знак “+”. Нормальным может быть также сжимающее напряжение, которое тоже обозначается S, но со знаком “ –”. Под действием сжимающего напряжения происходит укорочение стержня, т.е. удлинение с обратным знаком.

Вектор касательных напряжений, в отличие от нормальных, направлен не перпендикулярно сечению, в котором они рассчитываются, а лежит в плоскости этого сечения. Именно под действием касательных напряжений происходит скольжение дислокаций, т.е. идет пластическая деформация.

В отличие от физических, механические свойства не являются константами материала и сильно зависят от условий проведения испытаний. Поскольку механические свойства должны имитировать поведение материала в реальных условиях эксплуатации и обработки, а эти условия очень разнообразны, приходится проводить многочисленные механические испытания.

В основном используют два способа нагружения образца: 1) путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации и 2) подачей постоянной нагрузки (напряжения) на образец с измерением возникающей при этом деформации.

Механические испытания, в которых нагрузка непостоянна, можно классифицировать по характеру ее изменения во времени. По этому принципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды-минуты). При динамическом нагружении это возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) по величине.

В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания.

Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформации. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузок к образцу (т.е. схемой напряженного состояния): одноосное растяжение, одноосное сжатие (в дальнейшем – просто растяжение, сжатие), изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схемы напряженного состояния).

Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скорости деформации. Длительность всего испытания не превышает сотых – тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину полной или удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Данных о величине напряжений и деформаций в процессе этих испытаний обычно не получают, хотя в принципе это возможно. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба.

Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытание обычно длительны (часы – сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге – то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

Второй способ нагружения постоянной нагрузкой используют в испытаниях на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени при разных напряжениях в образце, а при испытании на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений.

Помимо перечисленных разновидностей механических испытаний, есть еще одна специфическая группа испытаний на твердость, где оценивают различные характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии с другим телом – индентором (от английского indentation – вдавливание). Большинство испытаний на твердость статические.

Лекция разработана «___»________200__г.

_______________________Фигуровский Д.К.