Лекции_Матвед_Минаков (Лекции), страница 5

Для проведениярасчётов вводится понятие напряжение – внутренние силы, приходящиеся наединицу площади поперечного сечения тела.Различают следующие виды напряжений:- временные обусловлены действием внешней нагрузки, исчезаютпосле её снятия;- остаточные внутренние возникают и уравновешиваются внутритела без внешней нагрузки, вызывают деформацию материала;- тепловые (термические) возникают при нагреве/охлаждениитела из-за неоднородного расширения/сжатия поверхностных ивнутренних слоёв и наличия неравномерности температурного – нормальныеполя;напряжения; –- структурные (фазовые) возникают при кристаллизации,касательныедеформации или неоднородном протекании фазовых превращенийнапряженияпо объёму тела.Все рассмотренные ниже механические свойства (кроме модуля упругости Е)являются структурно-чувствительными, т.е.

они изменяются при измененииструктуры. Модуль упругости Е, некоторые физические свойства(теплопроводность и др) и электро-магнитные свойства являются неструктурночувствительными.Концентраторы напряжений – источники (надрезы, сквозные отверстия, резкиепереходы от толстого сечения к тонкому, внутренние дефекты металла и др.),приводящие к неравномерному распределению напряжений, создавая при этомпиковую (максимальную) концентрацию нормальных напряжений у основанияисточника.§ 2. Механические свойства материаловА.

Определяемые при статических нагрузках (нагрузка возрастает плавно имедленно)Механические свойства определяются по ГОСТ 1497-84:Показатели прочности:- предел текучести Т , МПа (условный предел текучести0,2 , МПа) – наименьшее напряжение, при которомматериал деформируется без заметного изменениянагрузки (напряжение, при котором остаточноеудлинение равно 0,2 % от начальной расчётной длиныобразца);- предел прочности В , МПа – напряжение,соответствующее максимальной нагрузке (началообразования шейки на образце при растяжении).Показатели пластичности:- относительное удлинение после разрыва , % отношение приращения расчётной длины образца послеразрыва к первоначальной длине = ∆ Τ0 ∗ 100 %;- относительное сужение , % - отношение уменьшенияплощади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площадипоперечного сечения = 0 − Τ0 ∗ 100 %.Тангенс угла наклона прямой OA характеризует модуль упругости материала =Τ − относительная деформация .

Модуль упругости E определяетжёсткость материала. Его физический смысл – модуль упругости Е характеризуетсопротивляемость металла упругой деформации, т.е. смещению атомов изположения равновесия в КР.Б. Испытания на твёрдость.Твёрдость – свойство материала оказывать сопротивление ПД при контактномвоздействии в поверхностном слое. Не является физической постоянной; зависитот прочности и пластичности и метода измерения; безразмерная величина.Методы определения твёрдости:- по Бринеллю (ГОСТ 9012-59)В плоскую поверхность металла вдавливается под постояннойнагрузкой P стальной шарик диаметром D.

После снятиянагрузки в испытуемом материале образуется отпечаток (лунка)диаметра d. По d с помощью таблиц находят твёрдость HB:2∗ =( − 2 − 2 )Для стали и чугуна D=10 мм , P=30 кН; для меди и её сплавовD=10 мм , P=10 кН; для очень мягких материалов (Al, баббитыи др.) D=10 мм , P=2,5 кННе рекомендуется использовать данный метод если твёрдость более HB 450.- по Роквеллу (ГОСТ 9013-59)Общая нагрузка складывается изпредварительной Р0 =0,1 кН и основнойР1 : для алмазного конуса с углом привершине 120° Р1 =1,4 кН или Р1 =0,5 кН(очень твёрдые и тонкие материалы), адля стального закалённого шарикадиметром d=1,588 мм Р1 =0,9 кН.Твёрдость измеряют в условных единицах (за единицу принята величина,соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм):для алмазного конуса при Р1 =0,5 кНи при Р1 =1,4 кН = 100 − = 100 − ;для стального шарика и Р1 =0,9 кН = 130 − , гдеℎ − ℎ0=, где0,002ℎ – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действиемобщей нагрузки, измеренная после снятия основной нагрузки Р1 с оставлениемпредварительной нагрузки Р0 ; ℎ0 - глубина внедрения наконечника в испытуемыйматериал под действием нагрузки Р0 .- по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)Твёрдость оценивается вдавливанием с нагрузкой P (от 0,01 кН до 1кН) алмазной четырёхгранной пирамиды с углом при вершине136°.

Метод используют при определении твёрдости деталей малойтолщины и тонких поверхностных слоёв: = 1,854 ∗ , где2d – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналейотпечатка, измеренных после снятия нагрузки, мм.В. Определяемые при динамических нагрузках (большая скорость изменениянаправления нагрузки)Метод основан наразрушении образца сконцентраторомнапряжений (в формебуквы U (r=1±0,007 мм),V (r=0,25±0,025 мм) илиT (трещина). Ударнаявязкость (МДж/см²)равна отношениюработы А (затраченную на деформацию и разрушение образца) к площадипоперечного сечения образца в надрезе: или =Измерение твёрдости методом Бринелля Измерение твёрдости методом РоквеллаИзмерение твёрдости методом ВикерсаГ.

Определяемые при переменных (циклических) нагрузкахУсталость – постепенное накопление повреждений в металле под действиемциклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению.Выносливость – свойство металла противостоять усталости.Испытания на усталость проводят на специальных машинах(по ГОСТ 25.502-79). Для не менее 10 образцов при107 − 108 циклов строят кривые усталости1 – вращающийсяшпиндель;2 – образец;3 – нагружающийподшипник;Р – сила тяжестигруза.Из кривых усталости (1) определяют предел выносливости - максимальноенапряжение, которое не разрушает материал при неограниченно большомколичестве циклов (если у материала нет горизонтальной площадки (2), тоопределяют ограниченный циклом N предел выносливости ).Связь между пределом выносливости и прочности: для сталей −1 Τв ≈ 0,5; длямедных сплавов −1 Τв ≈ 0,3 − 0,5; для алюминиевых сплавов−1 Τв ≈ 0,25 − 0,4 (−1 - симметричный цикл, т.е.

коэффициент асимметрии = Τ = −1)§ 3. Разрушение материаловРазрушение – процесс разделения на части в результате зарождения и развития вметалле микротрещин в местах скопления перед препятствием (границы зёрен,микропоры, неметаллические включения и др.) дислокаций, которые приводят кконцентрации напряжений.Допустимая безопасная длина трещины:21 кр =, где2 ср (1,1...3) – коэф-т, учитывающий геометриютрещины; - расчётный критерийтрещиностойкости (зависит отинтенсивности ПД в вершине трещины); ср- средние номинальные напряжения.Концентрация напряжения в устье трещины:кр = 2ср, гдеl – длина трещины; r – радиус кривизны трещины.Виды разрушенияI. Хрупкое- отрыв в результате действия нормальныхнапряжений;- не сопровождается ПД;- характерна острая ветвящаяся трещина;- скорость распространения трещиныочень высокая (может достигать 1800м/сек)- интеркристаллическое разрушение (пограницам зерна);иногда может проходить и по телу зернаII.

Вязкое- срез под действием касательныхнапряжений;- разрушению предшествует ПД;- характерна тупая раскрывающаясятрещина;- скорость распространения трещинымала;- транскристаллическое разрушение(по телу зерна)макроструктурамакроструктуратонкая структура(ручьистое строение), х5000тонкая структура(чашечное строение),х5000Некоторые металлы (Fe, Mo, W и др.), имеющие ОЦК или ГПУ решётки припонижении температуры меняют характер разрушения с вязкого на хрупкий.Такое явление называется хладноломкостью.Понижение температуры вызывает повышениесопротивления ПД (предел текучести) без влиянияна разрушающее напряжение. В области Iсопротивление отрыву достигается принапряжениях меньших, чем предел текучести, врезультате металл разрушается хрупко.Температура tп.х., соответствующая точкепересечения кривых называется критическойтемпературой хрупкости или порогомхладноломкости.Склонность металла к хрупкому разрешению I – хрупкое разрушение;возрастает:II – вязкое разрушение;- при повышении скорости деформации;Sотр – разрушающее напряжение;- при большом количестве концентраторов;σт – сопротивление пластической- при увеличении l и уменьшении r надреза; деформации (предел текучести)- при больших размерах детали.III.

УсталостноеУсталостный излом состоит из трёх зон:1 – очаг разрушенияна поверхности образуется большоеколичество трещин, начинает расти толькота, у которой большая l и маленький rнадреза.2 – зона развития разрушениятрещина продвигается вглубь образца; приа – схема излома;каждом периоде цикла у вершины трещиныб – макроструктура излома валапротекает ПД; трещина развивается каквязкая; характерной чертой зоны является наличие бороздок, перпендикулярныхфронту развития трещины.3 – зона доломакогда при росте трещины напряжения превысят кр , происходит быстроеразрушение; при статических нагрузках структура зоны как у хрупкогоразрушения, при динамических – как у вязкого разрушения.§ 4.

Механизмы пластической деформации (ПД)Существуют два пути (механизма) для протекания ПД:А. Диффузионныйпри высоких температурах (близких к температуре плавления) приприкладывании постоянной внешней нагрузки происходит направленнаясамодиффузия; в итоге – тело удлиняется с уменьшением поперечного сечения;идёт очень длительно.Б.

Сдвиговый- это упорядоченное «смещение»отдельных частей кристалла поддействием внешних сил; идёт принизких и высоких температурах;наступает почти одновременно приприложении нагрузки.- может идти двумя путями:«перемещением» («скольжением»)дислокаций (сдвигово-дислокационныймеханизм) и двойникованием (механизмдвойникования).а – исходное положение;б – после растяжения.§ 5. ПД идеального и реального кристалловА.

ПД идеальногокристаллазаключается в жёсткомодновременном сдвигеатомов одной частикристаллаотносительно другойлинияскольженияна расстояние кратное периоду а КР (т.е. необходимо порвать все связи вплоскости скольжения). Для этого нужно приложить нагрузку большую, чемкритическое скалывающее напряжение (теоретическая прочность кристалла): ≥ кр = 0,1 ∗ , где = ЕΤ2 ∗ 1 − - модуль сдвига – физическая величина, характеризующаяспособность материала сопротивляться сдвиговой деформации [ – коэффициентПуассона].Для железа, например, кр ≈ 14000 МПа (1400 кгΤмм2 ).Б.