Что такое упругость металла: Что такое упругость металла

Содержание

Что такое упругость металла


МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла.

Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями.

УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ

Если напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости:

s = eY, где s – напряжение, e – упругая деформация, а Y – модуль упругости (модуль Юнга). Модули упругости ряда металлов представлены в табл. 1.

Таблица1. Модули упругости металлов
Таблица 1
Металл Вольфрам Железо (сталь) Медь Алюминий Магний Свинец
Модуль Юнга,
105 МПа
3,5 2,0 1,1 0,70 0,45 0,18

Пользуясь данными этой таблицы, можно вычислить, например, силу, необходимую для того, чтобы растянуть стальной стержень квадратного поперечного сечения со стороной 1 см на 0,1% его длины:

F = YґAґDL/L = 200 000 МПа ґ 1 см

2ґ0,001 = 20 000 Н (= 20 кН)

Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала.

Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

Пластические свойства металлического материала (в отличие от упругих) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950° С и закалки может достигать 2000 МПа.

Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

Растяжение.

Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.

Типичные значения величин, характеризующих прочность на растяжение ряда металлов и сплавов, представлены в табл. 2. Нетрудно видеть, что эти значения для одного и того же материала могут сильно различаться в зависимости от обработки.

Таблица 2
Таблица 2
Металлы и сплавы Состояние Предел текучести, МПа Предел прочности на растяжение, МПа Удлинение, %
Малоуглеродистая сталь (0,2% С) Горячекатанная 300 450 35
Среднеуглеродистая сталь (0,4% С,
0,5% Mn)
Упрочненная и отпущенная 450 700 21
Высокопрочная сталь (0,4% С, 1,0% Mn,
1,5% Si, 2,0% Cr,
0,5% Мo)
Упрочненная и отпущенная 1750 2300 11
Серый чугун После литья 175–300 0,4
Алюминий технически чистый Отожженный 35 90 45
Алюминий технически чистый Деформационно-упрочненный 150 170 15
Алюминиевый сплав (4,5% Cu, 1,5% Mg,
0,6% Mn)
Упрочненный старением 360
500
13
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Полностью отожженная 80 300 66
Латунь листовая (70% Cu, 30% Zn) Деформационно-упрочненная 500 530 8
Вольфрам, проволока Тянутая до диаметра 0,63 мм 2200 2300 2,5
Свинец После литья 0,006 12 30

Сжатие.

Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.

Твердость.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая.

Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат).

Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленные нагрев и охлаждение).

Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности.

Ударная вязкость и хрупкость.

Вязкость противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара.

Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко-вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V-образным надрезом, может достигать +90° С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до -130° С.

Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за составом сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий. Температура хрупко-вязкого перехода некоторых материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным.

Усталость.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы – кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке. Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька». Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения.

Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.

Скольжение и дислокации.

Процессы скольжения удалось подробнее исследовать на монокристаллах металлов, выращенных в лаборатории. При этом выяснилось не только то, что скольжение происходит в некоторых определенных направлениях и обычно по вполне определенным плоскостям, но и то, что монокристаллы деформируются при очень малых напряжениях. Переход монокристаллов в состояние текучести начинается для алюминия при 1, а для железа – при 15–25 МПа. Теоретически же этот переход в обоих случаях должен происходить при напряжениях ок. 10 000 МПа. Такое расхождение между экспериментальными данными и теоретическими расчетами на протяжении многих лет оставалось важной проблемой. В 1934 Тейлор, Полани и Орован предложили объяснение, основанное на представлении о дефектах кристаллической структуры. Они высказали предположение, что при скольжении сначала происходит смещение в какой-то точке атомной плоскости, которое затем распространяется по кристаллу. Граница между сдвинувшейся и несдвинувшейся областями (рис. 4) представляет собой линейный дефект кристаллической структуры, названный дислокацией (на рисунке эта линия уходит в кристалл перпендикулярно плоскости рисунка). Когда к кристаллу прикладывается напряжение сдвига, дислокация движется, вызывая скольжение по плоскости, в которой она находится. После того как дислокации образовались, они очень легко движутся по кристаллу, чем и объясняется «мягкость» монокристаллов.

В кристаллах металлов обычно имеется множество дислокаций (общая длина дислокаций в одном кубическом сантиметре отожженного металлического кристалла может составлять более 10 км). Но в 1952 научные сотрудники лабораторий корпорации «Белл телефон», испытывая на изгиб очень тонкие нитевидные кристаллы («усы») олова, обнаружили, к своему удивлению, что изгибная прочность таких кристаллов близка к теоретическому значению для совершенных кристаллов. Позднее были обнаружены чрезвычайно прочные нитевидные кристаллы и многих других металлов. Как предполагают, столь высокая прочность обусловлена тем, что в таких кристаллах либо вообще нет дислокаций, либо имеется одна, идущая по всей длине кристалла.

Температурные эффекты.

Влияние повышенных температур можно объяснить, исходя из представлений о дислокациях и зеренной структуре. Многочисленные дислокации в кристаллах деформационно-упрочненного металла искажают кристаллическую решетку и увеличивают энергию кристалла. Когда же металл нагревается, атомы становятся подвижными и перестраиваются в новые, более совершенные кристаллы, содержащие меньше дислокаций. С такой рекристаллизацией и связано разупрочнение, которое наблюдается при отжиге металлов.

Модуль Юнга - предел прочности и предел текучести для обычных материалов

Модуль упругости - или модуль Юнга alt. Модуль упругости - это показатель жесткости эластичного материала. Он используется для описания упругих свойств таких объектов, как проволока, стержни или колонны, когда они растягиваются или сжимаются.

Модуль упругости при растяжении определяется как

"отношение напряжения (силы на единицу площади) вдоль оси к деформации (отношение деформации к начальной длине) вдоль этой оси"

Его можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатие объекта до тех пор, пока напряжение меньше, чем предел текучести материала.Подробнее об определениях под таблицей.

9002 4 170 9 0018 502
АБС-пластик 1,4 - 3,1 40
A53 Стандартная бесшовная и сварная стальная труба - марка A 331 207
A53 Бесшовная и сварная стандартная сталь Труба - класс B 414 241
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - марка A 400 248
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - марка B 483 345
A106 Бесшовная труба из углеродистой стали - класс C 483 276
Стальная труба A252 сваи - сорт 1 345 207
Стальная труба A252 - свая - сорт 2 414 241
Стальная труба A252 для укладки свай - класс 3 455 310
A501 Конструкционные трубы из горячеформованной углеродистой стали - класс A 400 248
A501 Конструкционные трубы из горячеформованной углеродистой стали - класс B 483 345
A523 Стальные трубопроводы для кабельных цепей - класс A 331 207
A523 Стальные трубопроводы для кабельных цепей - класс B 414 241
A618 Горячеформованные высокопрочные низколегированные конструкции НКТ - класс Ia и Ib 483 345
Горячеформованные высокопрочные низколегированные конструкционные трубы A618 - класс II 414 345
A618 Горячие формованные высокопрочные Конструкционные трубы из низколегированных материалов - класс III 448 345
Линейная труба API 5L 310 - 1145 175 - 1048
Ацетали 2.8 65
Акрил 3,2 70
Алюминий бронза 120
Алюминий 69 110 95
Алюминиевые сплавы 70
Сурьма 78
Арамид 70-112
Бериллий (Be) 287
Бериллий Медь 124
Висмут 32
Кость компактная 18 170
(компрессионная)
Кость губчатая 76
Бор 9002 4 3100
Латунь 102-125 250
Латунь, военно-морской флот 100
Бронза 96-120
CAB 0.8
Кадмий 32
Пластик, армированный углеродным волокном 150
Углеродная нанотрубка, одностенная 1000
Чугун 4.5 % C, ASTM A-48 170
Целлюлоза, хлопок, древесная масса и регенерированная 80-240
Ацетат целлюлозы, формованный 12-58
Ацетат целлюлозы, лист 30-52
Нитрат целлюлозы, целлулоид 50
Хлорированный полиэфир 1.1 39
Хлорированный ПВХ (ХПВХ) 2,9
Хром 248
Кобальт 207
Бетон 17
Бетон, высокая прочность (сжатие) 30 40
(сжатие)
Медь 117 220 70
Алмаз (C) 1220
Древесина пихты Дугласа 13 50
(сжатие)
Эпоксидные смолы 3-2 26-85
Древесноволокнистая плита средней плотности 4
Льноволокно 58
Стекло 50-90 50
(сжатие)
Матрица из армированного стекловолокном полиэстера 17
Золото 74
Гранит 52
Графен 1000
Серый чугун 130
Конопляное волокно 35
Инконель 214
Иридий 517
Железо 210
Свинец 13.8
Магний металлический (Mg) 45
Марганец 159
Мрамор 15
МДФ - средней плотности ДВП 4
Ртуть
Молибден (Mo) 329
Монель Металл 179
Никель
Никель-серебро 128
Никелевая сталь 200
Ниобий (колумбий) 103
Нейлон-6 2-4 45-90 45
Нейлон-66 60-80
Дуб (вдоль волокон) 11
Осмий (Os) 550
Фенольные литые смолы 33-59
Формовочные смеси фенолформальдегидные 45-52
Фосфорная бронза 116
Сосновая древесина (вдоль волокон) 9 40
Платина 147
Плутоний 97
Полиакрилонитрил, волокна 200
Полибензоксазол 3.5
Поликарбонаты 2,6 52-62
Полиэтилен HDPE (высокая плотность) 0,8 15
Полиэтилентерефталат, ПЭТ 2 - 2,7 55
Полиамид 2,5 85
Полиизопрен, твердая резина 39
Полиметилметакрилат (ПММА) 2.4 - 3,4
Полиимидные ароматические углеводороды 3,1 68
Полипропилен, PP 1,5 - 2 28-36
Полистирол, PS 3 - 3,5 30-100
Полиэтилен, LDPE (низкая плотность) 0,11 - 0,45
Политетрафторэтилен (PTFE) 0,4
Жидкий полиуретановый литой 10-20
Полиуретановый эластомер 29-55
Поливинилхлорид (ПВХ) 2.4 - 4,1
Калий
Родий 290
Резина с малой деформацией 0,01 - 0,1
Сапфир 435
Селен 58
Кремний 130-185
Карбид кремния 450 3440
Серебро 72
Натрий
Сталь, высокопрочный сплав ASTM A-514 760 690
Сталь нержавеющая AISI 302 180 860
Сталь, конструкционная ASTM-A36 200 400 250
Тантал 186
Торий 59
Олово 47
Титан
Титановый сплав 105 - 120 900 730
Зубная эмаль 83
Вольфрам ( Вт) 400 - 410
Карбид вольфрама (WC) 450 - 650
Уран 170
Ванадий 131
Кованый Иро n 190-210
Дерево
Цинк 83
  • 1 Па (Н / м 2 ) = 1x10 -6 Н / мм 2 = 1.4504x10 -4 psi
  • 1 МПа = 10 6 Па (Н / м 2 ) = 0,145x10 3 psi (фунт f / дюйм 2 ) = 0,145 тыс. фунтов на квадратный дюйм
  • 1 ГПа = 10 9 Н / м 2 = 10 6 Н / см 2 = 10 3 2 Н / мм 0,145x10 6 фунтов на кв. Дюйм (фунт на / дюйм 2 )
  • 1 МПа = 10 6 фунтов на квадратный дюйм = 10 3 тысяч фунтов на квадратный дюйм
  • 47 фунтов на квадратный дюйм 1 2 ) = 0.001 тыс. Фунтов / кв. Дюйм = 144 фунта на кв. Дюйм (фунт на / фут 2 ) = 6 894,8 Па (Н / м 2 ) = 6,895x10 -3 Н / мм 2

Примечание! - этот онлайн-преобразователь давления может использоваться для преобразования единиц модуля упругости при растяжении.

Деформация -
ε

Деформация - это «деформация твердого тела под действием напряжения» - изменение размера, деленное на исходное значение размера - и может быть выражено как

ε = dL / L (1)

где

ε = деформация (м / м, дюйм / дюйм)

дл = удлинение или сжатие (смещение) объекта (м , дюйм)

L = длина объекта (м, дюйм)

Напряжение -
σ

Напряжение - это сила на единицу площади и может быть выражена как

σ = F / A (2)

где

σ = напряжение (Н / м 2 , фунт / дюйм 2 , psi)

F = приложенная сила (Н, фунт)

A = площадь напряжения объекта (м 2 , в 2 )

  • растягивающее напряжение - напряжение, стремящееся к растяжение или удлинение материала - действует нормально по отношению к напряженной области
  • сжимаемое напряжение - напряжение, которое имеет тенденцию сжимать или укорачивать материал - действует нормально по отношению к напряженной области
  • напряжение сдвига - напряжение, которое имеет тенденцию к сдвигу материала - действует в плоскости напряженной области под прямым углом к ​​сжимаемому или растягивающему напряжению
Модуль Юнга - Модуль упругости при растяжении, Модуль упругости -
E

Модуль Юнга может быть выражен как

E = напряжение / деформация

= σ / ε

= (F / A) / (dL / L) (3)

где

E = Модуль упругости Юнга (Па, Н / м 2 , фунт / дюйм 2 , фунт / кв. Дюйм)

  • , названный в честь XVIII века Английский врач и физик Томас Янг
Эластичность

Эластичность - это свойство объекта или материала, указывающее, как он восстановит его первоначальную форму после искажения.

Пружина - это пример упругого объекта - при растяжении она оказывает восстанавливающую силу, которая стремится вернуть его к исходной длине. Эта восстанавливающая сила в целом пропорциональна растяжению, описанному законом Гука.

Закон Гука

Чтобы растянуть пружину вдвое дальше, требуется примерно вдвое больше силы. Эта линейная зависимость смещения от силы растяжения называется законом Гука и может быть выражена как

F s = -k dL (4)

, где

F s = усилие в пружине (Н)

k = жесткость пружины (Н / м)

dL = удлинение пружины (м)

Обратите внимание, что можно также применить закон Гука к материалам, испытывающим трехмерное напряжение (трехосное нагружение).

Предел текучести -
σ y

Предел текучести определяется в инженерии как величина напряжения (предел текучести), которому может подвергаться материал перед переходом от упругой деформации к пластической деформации.

  • Предел текучести - материал постоянно деформируется

Предел текучести для низко- или среднеуглеродистой стали представляет собой напряжение, при котором происходит заметное увеличение деформации без увеличения нагрузки. В других сталях и цветных металлах этого явления не наблюдается.

Предел прочности на разрыв -
σ u

Предел прочности на разрыв - UTS - материала - это предельное напряжение, при котором материал фактически разрывается с внезапным высвобождением накопленной упругой энергии.

.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Механические свойства имеют первостепенное значение в более крупных промышленных применениях металлов, поэтому они требуют большого внимания при их изучении.

Прочность. - Прочность материала - это свойство сопротивления внешним нагрузкам или напряжениям без повреждения конструкции. Термин «предел прочности » относится к удельному напряжению (фунты на квадратный дюйм), развиваемому в материале в результате максимальной медленно прикладываемой нагрузки, которой материал может выдержать без разрушения при испытании на растяжение.Испытание на растяжение наиболее часто применяется к металлам, потому что оно говорит об их свойствах гораздо больше, чем любое другое отдельное испытание. В металлургии о разрушении часто говорят как об отказе, разрыве или разрушении; перелом металла - это название поверхности, на которой произошел разрыв.

Прочность металлов и сплавов зависит от двух факторов, а именно, прочности кристаллов, из которых они состоят, и прочности сцепления между этими кристаллами.Самое сильное известное вещество - это вольфрамовая проволока электрических ламп накаливания. Чистое железо непрочно, но когда сталь легирована углеродом для получения стали, она может быть прочнее любого из чистых металлов, кроме вольфрама.

Напряжение и деформация. - Напряжение - это сила внутри тела, которая сопротивляется деформации из-за приложенной извне нагрузки. Если эта нагрузка действует на поверхность единичной площади, это называется единичной силой, а сопротивление ей - единиц. Таким образом, количественно напряжение - это сила на единицу площади; на европейском континенте он выражается в килограммах на квадратный миллиметр, в Соединенных Штатах - фунтах на квадратный дюйм, а в Англии обычно используются длинные тонны на квадратный дюйм.

Когда внешняя сила действует на эластичный материал, материал деформируется, и деформация пропорциональна нагрузке. Это искажение или деформация составляет деформаций, единиц деформации, измеряемой в США и Англии в дюймах на дюйм, а в Европе - в сантиметрах на сантиметр. Единичная деформация - это отношение расстояний или длин.

Эластичность. - Любой материал, подверженный внешней нагрузке, деформирован или деформирован.Упруго напряженные материалы возвращаются к своим первоначальным размерам при снятии нагрузки, если она не слишком велика. Такое искажение или деформация пропорциональна величине нагрузки до определенной точки, но когда нагрузка слишком велика, материал постоянно деформируется, а при дальнейшем увеличении нагрузки до определенной точки материал разрушается. Свойство восстановления исходных размеров после снятия внешней нагрузки известно как эластичность .

Модуль упругости. - В пределах эластичности отношение напряжения к деформации известно как модуль упругости (т.е. мера упругости).

Модуль упругости выражает жесткость материала. Для стали и большинства металлов это постоянное свойство, на которое мало влияет термическая обработка, горячая или холодная обработка или фактический предел прочности металла. Их модули упругости показывают, что когда стержни из стали и алюминия одинакового размера подвергаются одинаковой нагрузке, возникающая в результате упругая деформация в алюминии будет почти в три раза больше, чем в стальном стержне.

Пропорциональный предел упругости. - Металлы обычно не эластичны во всем диапазоне нагрузок. Предел пропорциональности напряжения к деформации известен как предел пропорциональности . Предел упругости - это максимальное удельное напряжение, которое испытываемый образец будет выдерживать и все еще возвращаться к своим исходным размерам после снятия нагрузки. Предел пропорциональности и предел упругости в металлах очень близки друг к другу, настолько, что их часто путают, и теперь принято объединять их в один термин «Предел пропорциональной упругости». Это важное свойство, напряжение, которое нельзя превышать при проектировании.

Природа эластичности. - Эластичность металлического вещества является функцией сопротивления его атомов разделению, сжатию или вращению друг относительно друга и, таким образом, является фундаментальным свойством материала. Итак, эластичность демонстрируется как функция атомных сил. Это объясняет, почему модуль упругости прочной и хрупкой термообработанной легированной стали точно такой же, как у сравнительно слабой и вязкой отожженной стали.

Предел текучести. - Это точка на кривой "напряжение-деформация", в которой напряжение выравнивается или фактически уменьшается при продолжении деформации. Этот термин строго применим только к малоуглеродистым сталям, поскольку определяющая его характеристика не встречается в других металлах, легированных сталях или даже холоднодеформированных или нормализованных низкоуглеродистых сталях.

Максимальная сила. - Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец, деленная на первоначальную площадь поперечного сечения, называется пределом прочности на разрыв или пределом прочности детали.

Пластичность. - Пластичность - это способность металла постоянно деформироваться при растяжении без разрушения. В частности, этот термин обозначает емкость, которую нужно тянуть от проволоки большего диаметра к меньшему. Такая операция, очевидно, включает в себя как удлинение, так и уменьшение площади, и значения этих двух характеристик металла, определенные при испытании на растяжение, обычно принимаются в качестве меры пластичности металла.

Прочность. - Вязкость определяется как свойство поглощения значительной энергии до разрушения. Это мера общей способности материала поглощать энергию, включая энергию как упругой, так и пластической деформации при постепенно прикладываемой нагрузке. Одним из наиболее распространенных тестов на ударную вязкость является «испытание на удар», в котором измеряется энергия, поглощенная при разрушении образца при внезапном ударе.

Природа прочности. - Прочность металла определяется степенью скольжения, которая может происходить внутри кристаллов, не приводя к разрушению металла.Возможно, это результат попеременного проскальзывания и расклинивания каждой клиновидной кристаллографической плоскости, удерживаемой до приложения большего напряжения. Хрупкий металл или сплав либо не перестанет скользить после достижения упругой деформации, либо остановится только на короткое время перед разрушением. Очевидно, что последовательная остановка и проскальзывание вызовут деформацию; поэтому вязкие металлы и сплавы часто являются наиболее пластичными и пластичными.

Иногда кристаллы металла могут быть прочными, но границы кристаллов могут содержать примеси, так что наименьшая деформация кристаллической массы может вызвать растрескивание через хрупкий материал границ зерен.Это верно для стали, содержащей значительное количество фосфора, и для меди, содержащей висмут.

Ковкость. - Ковкость - это свойство металла, которое допускает остаточную деформацию при сжатии без разрушения. В частности, это означает способность раскатывать или забивать тонкие листы. Свойство пластичности похоже, но не то же самое, что и пластичность, и разные металлы не обладают этими двумя свойствами в одинаковой степени: хотя свинец и олово относительно высоки в порядке пластичности, им не хватает необходимой прочности на разрыв. быть втянутым в тонкую проволоку.Большинство металлов обладают повышенной ковкостью и пластичностью при более высоких температурах. Например, железо и никель очень пластичны при ярко-красном огне (1000 ° C).

Хрупкость. - Хрупкость подразумевает внезапный отказ. Это свойство ломаться без предупреждения, то есть без видимой остаточной деформации. Это противоположность ударной вязкости в том смысле, что хрупкое тело имеет небольшое сопротивление разрыву после достижения предела упругости. Хрупкость противоположна пластичности в том смысле, что она предполагает разрыв без значительной деформации.Часто твердые металлы являются хрупкими, но эти термины не следует путать или использовать как синонимы.

Усталостный отказ. - Если металл подвергается частым повторяющимся нагрузкам, он в конечном итоге разорвется и выйдет из строя.

Чередование стресса приведет к неудаче быстрее, чем повторение стресса. Под «чередованием напряжений» подразумевается попеременное растяжение и сжатие в любом волокне. Разрушение металлов и сплавов под действием повторяющихся или переменных напряжений, слишком малых, чтобы вызвать даже остаточную деформацию при статическом применении, называется усталостным разрушением .

Коррозионная усталость. - Если элемент подвергается также воздействию коррозионных агентов, таких как влажная атмосфера или масло, не очищенное от кислоты, нагрузка, необходимая для выхода из строя, намного ниже. Самые прочные стали не выдерживают усталости и коррозии при удельном напряжении волокна не более 24000 фунтов на квадратный дюйм, даже если их предел прочности может указывать на то, что они могут выдерживать гораздо более высокое напряжение. Интересно отметить, что удельное напряжение чрезвычайно прочной термически обработанной легированной стали, подверженной коррозионной усталости, будет не больше, чем у относительно слабой конструкционной стали.Очевидна важность защиты поверхностей усталостных элементов от коррозии с помощью цинкования, гальванизации и т. Д., Если и когда это возможно.

Твердость. - Качество твердости является сложным, и подробное исследование показало, что оно представляет собой комбинацию ряда физических и механических свойств. Его чаще определяют в терминах метода, используемого для его измерения, и обычно означает сопротивление вещества вдавливанию. Твердость также может быть определена с точки зрения устойчивости к царапинам и, таким образом, связана с износостойкостью.Термин твердость иногда используется для обозначения жесткости или состояния деформируемых изделий, поскольку твердость металла при вдавливании тесно связана с его пределом прочности при растяжении.

В инженерной практике сопротивление металла проникновению твердым инструментом для вдавливания обычно считается определяющим свойством твердости. Был разработан ряд стандартизированных испытательных машин и пенетраторов, наиболее распространенными из которых являются машины Бринелля, Роквелла и Виккерса.

При испытании Бринелля шарик из закаленной стали диаметром 10 мм вдавливается в поверхность испытуемого материала под нагрузкой 500 или 3000 кг и измеряется площадь вдавливания.Затем твердость по Бринеллю выражается как отношение приложенной нагрузки к площади слепка.

В тестах Rockwell используется ряд различных масштабов тестирования с использованием различных пенетраторов и нагрузок. Чаще всего используются шкалы «C», в которых используется алмазный конусный пенетратор при основной нагрузке 150 кг, и шкала «B», в которой используется закаленный стальной шар диаметром 1/16 дюйма при основной нагрузке 100 кг. кг. В этом испытании разница глубины проникновения между глубиной проникновения небольшой нагрузки в 10 кг и приложенной основной нагрузкой принимается в качестве меры твердости.

В испытании Виккерса используется квадратный индентор в форме ромбовидной пирамиды, который может быть нагружен от 1 до 120 кг. Как и в тесте Бринелля, твердость выражается через приложенную нагрузку, деленную на площадь поверхности пирамидального отпечатка.

Тест Бринелля обычно используется только для довольно толстых срезов, таких как прутки и поковки, в то время как тест Роквелла обычно используется как для толстых, так и для тонких срезов, таких как полосы и трубки. Поверхностный Роквелл можно использовать для деталей толщиной до 0.010 дюймов. Тестер Виккерса чаще всего используется как лабораторный прибор для очень точных измерений твердости, а не как инструмент производственного контроля.

Склероскоп Шора измеряет упругость, а не твердость, хотя они взаимосвязаны. Склероскоп измеряет отскок падающего молотка от испытательной поверхности, и число твердости выражается как высота отскока в терминах максимального отскока от полностью закаленной высокоуглеродистой стали.

Природа твердости и мягкости. - Сопротивление металла проникновению другим телом, очевидно, частично зависит от силы сопротивления его межатомных связей. На это указывает почти точная параллель порядка твердости металлов и их модулей упругости. Единственное известное исключение - это соотношение магния и алюминия. Магний поцарапает алюминий, хотя его модуль упругости и средняя прочность межатомных связей меньше.


Дата: 24.12.2015; просмотр: 1248


.

Свойства при растяжении

Свойства растяжения показывают, как материал будет реагировать на силы, прилагаемые при растяжении. Испытание на растяжение - это фундаментальное механическое испытание, при котором тщательно подготовленный образец нагружается очень контролируемым образом, при этом измеряется приложенная нагрузка и удлинение образца на некотором расстоянии. Испытания на растяжение используются для определения модуля упругости, предела упругости, удлинения, предела пропорциональности, уменьшения площади, прочности на разрыв, предела текучести, предела текучести и других свойств при растяжении.

Основным результатом испытания на растяжение является кривая зависимости нагрузки от удлинения, которая затем преобразуется в кривую зависимости напряжения от деформации. Поскольку как инженерное напряжение, так и инженерная деформация получаются путем деления нагрузки и удлинения на постоянные значения (информация о геометрии образца), кривая нагрузки-удлинения будет иметь ту же форму, что и инженерная кривая напряжения-деформации. Кривая "напряжение-деформация" связывает приложенное напряжение с результирующей деформацией, и каждый материал имеет свою собственную уникальную кривую "напряжение-деформация".Типичная инженерная кривая напряжения-деформации показана ниже. Если использовать истинное напряжение, основанное на фактической площади поперечного сечения образца, обнаруживается, что кривая напряжения-деформации непрерывно увеличивается до разрушения.

Линейно-упругая область и упругие постоянные
Как видно на рисунке, напряжение и деформация первоначально увеличиваются с линейной зависимостью. Это линейно-упругий участок кривой, указывающий на отсутствие пластической деформации.В этой области кривой, когда напряжение уменьшается, материал возвращается к своей исходной форме. В этой линейной области линия подчиняется соотношению, определенному как Закон Гука , где отношение напряжения к деформации является постоянным.

Наклон линии в этой области, где напряжение пропорционально деформации, называется модулем упругости или модулем Юнга . Модуль упругости (E) определяет свойства материала, когда он подвергается напряжению, деформируется, а затем возвращается к своей исходной форме после снятия напряжения.Это мера жесткости данного материала. Чтобы вычислить модуль упругости, просто разделите напряжение на деформацию материала. Поскольку деформация является безразмерной, модуль будет иметь те же единицы измерения, что и напряжение, например kpi или МПа. Модуль упругости применяется конкретно к ситуации, когда компонент растягивается с силой растяжения. Этот модуль представляет интерес, когда необходимо вычислить, насколько стержень или проволока растягиваются под действием растягивающей нагрузки.

Существует несколько различных видов модулей в зависимости от того, как материал растягивается, сгибается или иным образом искажается.Когда компонент подвергается чистому сдвигу, например, цилиндрический стержень при кручении, модуль сдвига описывает линейно-упругую зависимость напряжения от деформации.

Осевая деформация всегда сопровождается поперечными деформациями противоположного знака в двух направлениях, взаимно перпендикулярных осевой деформации. Штаммы, возникающие в результате увеличения длины, обозначаются как положительные (+), а те, которые приводят к уменьшению длины, обозначаются как отрицательные (-). Коэффициент Пуассона определяется как отрицательное значение отношения поперечной деформации к осевой деформации для одноосного напряженного состояния.

Коэффициент Пуассона иногда также определяется как отношение абсолютных значений поперечной и осевой деформации. Это соотношение, как и деформация, не имеет единицы измерения, поскольку обе деформации безразмерны. Для напряжений в пределах упругого диапазона это соотношение примерно постоянно. Для идеально изотропного эластичного материала коэффициент Пуассона составляет 0,25, но для большинства материалов это значение находится в диапазоне от 0,28 до 0,33. Обычно для сталей коэффициент Пуассона составляет приблизительно 0,3.Это означает, что если имеется деформация в один дюйм на дюйм в направлении приложения напряжения, будет 0,3 дюйма на дюйм деформации, перпендикулярной направлению приложения силы.

Только две из упругих постоянных независимы, поэтому, если известны две постоянные, третью можно вычислить по следующей формуле:

E = 2 (1 + n) G.

Модуль жесткости
Где: E = Модуль упругости (модуль Юнга)
n = Коэффициент Пуассона
G = (модуль сдвига).

Пара дополнительных упругих постоянных, которые могут встретиться, включают модуль объемной упругости (K) и константы Ламе (m и l). Модуль объемной упругости используется для описания ситуации, когда кусок материала подвергается увеличению давления со всех сторон. Связь между изменением давления и возникающей в результате деформации представляет собой модуль объемного сжатия. Константы Ламе выводятся из модуля упругости и коэффициента Пуассона.

Предел текучести
В пластичных материалах в какой-то момент кривая напряжения-деформации отклоняется от прямолинейной зависимости, и Закон больше не применяется, поскольку деформация увеличивается быстрее, чем напряжение.С этого момента в испытании на растяжение в образце возникает некоторая остаточная деформация, и считается, что материал пластично реагирует на любое дальнейшее увеличение нагрузки или напряжения. После снятия нагрузки материал не вернется в исходное, ненапряженное состояние. В хрупких материалах пластическая деформация небольшая или отсутствует, и материал разрушается ближе к концу линейно-упругого участка кривой.

Для большинства материалов происходит постепенный переход от упругого к пластическому поведению, и точную точку, в которой начинается пластическая деформация, трудно определить.Поэтому используются различные критерии начала податливости в зависимости от чувствительности измерений деформации и предполагаемого использования данных. (См. Таблицу). В большинстве случаев инженерного проектирования и технических требований используется предел текучести. Предел текучести определяется как напряжение, необходимое для создания небольшой пластической деформации. Предел текучести со смещением - это напряжение, соответствующее пересечению кривой напряжения-деформации и линии, параллельной упругой части кривой, смещенной заданной деформацией (в США смещение обычно равно 0.2% для металлов и 2% для пластмасс).

В Великобритании предел текучести часто называют пределом текучести. Значение смещения составляет 0,1% или 0,5%

Чтобы определить предел текучести с использованием этого смещения, точка находится на оси деформации (ось x), равная 0,002, а затем проводится линия, параллельная линии напряжения-деформации. Эта линия будет немного пересекать линию напряжения-деформации после того, как она начнет изгибаться, и это пересечение определяется как предел текучести с 0.Смещение 2%. Хороший способ взглянуть на предел текучести со смещением состоит в том, что после того, как образец был загружен до его 0,2% -ного предела текучести, а затем выгружен, он будет на 0,2% дольше, чем до испытания. Несмотря на то, что предел текучести предназначен для представления точной точки, в которой материал становится необратимо деформируемым, относительное удлинение 0,2% считается допустимой жертвой из-за легкости, которую он создает при определении предела текучести.

Некоторые материалы, такие как серый чугун или мягкая медь, практически не демонстрируют линейно-упругих свойств.Для этих материалов обычно предел текучести определяется как напряжение, необходимое для создания некоторой общей величины деформации.

  • Истинный предел упругости является очень низким значением и связан с движением нескольких сотен дислокаций. Для обнаружения деформации порядка 2 x 10 -6 дюймов / дюйм требуются измерения микродеформации.
  • Предел пропорциональности - это максимальное напряжение, при котором напряжение прямо пропорционально деформации.Он получается путем наблюдения отклонения от прямолинейной части кривой зависимости деформации от напряжения.
  • Предел упругости - это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без какой-либо измеримой остаточной деформации, остающейся при полном снятии нагрузки. Он определяется с помощью утомительной процедуры пошаговых испытаний на нагрузку-разгрузку. При чувствительности измерения деформации, обычно применяемой в инженерных исследованиях (10 -4 дюйма / дюйм), предел упругости больше, чем предел пропорциональности.С увеличением чувствительности измерения деформации значение предела упругости уменьшается до тех пор, пока в конечном итоге не сравняется с истинным пределом упругости, определенным из измерений микродеформации.
  • Предел текучести - это напряжение, необходимое для создания небольшой заданной величины пластической деформации. Предел текучести, полученный методом смещения, обычно используется в инженерных целях, поскольку он позволяет избежать практических трудностей измерения предела упругости или предела пропорциональности.

Предел прочности при растяжении
Предел прочности при растяжении (UTS) или, проще говоря, предел прочности при растяжении - это максимальный уровень инженерного напряжения, достигаемый при испытании на растяжение. Сила материала - это его способность противостоять внешним воздействиям, не ломаясь. В хрупких материалах UTS будет в конце линейно-упругого участка кривой напряжения-деформации или близко к пределу упругости. В пластичных материалах UTS будет находиться далеко за пределами упругой части в пластической части кривой напряжения-деформации.

На приведенной выше кривой "напряжение-деформация" UTS - это самая высокая точка, в которой линия на мгновение становится плоской. Поскольку в основе UTS лежит инженерное напряжение, оно часто отличается от прочности на разрыв. В пластичных материалах происходит деформационное упрочнение, и напряжение будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока не произойдет разрушение, но инженерная кривая напряжения-деформации может показать снижение уровня напряжения до разрушения. Это результат инженерного напряжения, основанного на исходной площади поперечного сечения и не учитывающего сужение, которое обычно возникает в образце для испытаний.UTS может не полностью соответствовать самому высокому уровню нагрузки, которую может выдержать материал, но это значение обычно не используется при проектировании компонентов. Для пластичных металлов текущая практика проектирования заключается в использовании предела текучести для определения размеров статических компонентов. Однако, поскольку UTS легко определить и достаточно воспроизводим, он полезен для целей определения материала и для целей контроля качества. С другой стороны, для хрупких материалов конструкция компонента может быть основана на прочности материала на разрыв.

Меры пластичности (удлинение и уменьшение площади)
Пластичность материала - это мера степени, в которой материал будет деформироваться до разрушения. Величина пластичности является важным фактором при рассмотрении таких операций формования, как прокатка и экструзия. Он также показывает, насколько видимым может стать повреждение компонента от перегрузки до его разрушения. Пластичность также используется в качестве меры контроля качества для оценки уровня примесей и правильной обработки материала.

Традиционными показателями пластичности являются инженерная деформация при разрыве (обычно называемая удлинением) и уменьшение площади разрушения. Оба эти свойства достигаются путем повторной сборки образца после разрушения и измерения изменения длины и площади поперечного сечения. Удлинение - это изменение осевой длины, деленное на исходную длину образца или части образца. Выражается в процентах. Поскольку значительная часть пластической деформации будет сосредоточена в области сужения образца на растяжение, величина удлинения будет зависеть от измерительной длины, на которой проводится измерение.Чем меньше измерительная длина, тем больше большая локальная деформация в области сужения будет учитываться при расчете. Поэтому при сообщении значений удлинения следует указывать расчетную длину.

Один из способов избежать осложнений, связанных с образованием шейки, - это основывать измерение удлинения на равномерной деформации до точки, в которой начинается образование шейки. Иногда это хорошо работает, но некоторые инженерные кривые напряжения-деформации часто бывают довольно пологими в районе максимальной нагрузки, и трудно точно установить напряжение, когда начинается образование шейки.

Уменьшение площади - это изменение площади поперечного сечения, деленное на исходную площадь поперечного сечения. Это изменение измеряется в суженной области образца. Как и относительное удлинение, обычно выражается в процентах.

Как обсуждалось ранее, натяжение - это лишь один из способов нагружения материала. Другие способы нагружения материала включают сжатие, изгиб, сдвиг и кручение, и существует ряд стандартных испытаний, которые были установлены для определения того, как материал работает в этих других условиях нагружения.Очень краткое введение в некоторые из этих других свойств материала будет предоставлено на следующей странице.

.

Что такое модуль упругости? (с рисунками)

Модуль упругости, также известный как модуль упругости или модуль Юнга, является мерой того, как материал или конструкция будут деформироваться и деформироваться при воздействии напряжения. Материалы деформируются по-разному при приложении нагрузок и напряжений, и соотношение между напряжением и деформацией обычно меняется. Способность материала сопротивляться или передавать напряжение важна, и это свойство часто используется для определения того, подходит ли конкретный материал для определенной цели.

Инженеры должны понимать прочность и эластичность конструкций и материалов.

Это свойство часто определяется в лаборатории с использованием экспериментальной техники, известной как испытание на растяжение , которое обычно проводится на образце материала определенной формы и размеров.Доступны различные испытательные устройства, которые прикладывают очень точные нагрузки и напряжения к образцу, а также точно измеряют и записывают любую результирующую деформацию в материале. Модуль упругости известен для самых разных конструкционных материалов, включая металлы, дерево, стекло, резину, керамику, бетон и пластмассы.

Типовое измерение, модуль упругости может использоваться для определения того, сколько бетона может выдержать напряжение, затвердевшее до разрушения или деформации.

Модуль упругости описывает соотношение между напряжением, приложенным к материалу, и его соответствующей деформацией. Напряжение определяется как сила, приложенная к единице площади, с типичными единицами измерения фунтов на квадратный дюйм (фунт / кв. Дюйм) или ньютонов на квадратный метр, также известных как паскалях (Па). Деформация - это мера степени деформации материала при приложении напряжения, которая рассчитывается путем измерения степени деформации под напряжением по сравнению с исходными размерами материала.Модуль упругости основан на законе упругости Гука и может быть рассчитан путем деления напряжения на деформацию.

Для многих материалов при низких уровнях напряжения и при растяжении напряжение и деформация пропорциональны - это означает, что они постоянно увеличиваются и уменьшаются относительно друг друга.Деформация материала, возникающая при пропорциональном поведении напряжения и деформации, известна как упругая деформация или упругая деформация . Модуль упругости описывает взаимосвязь между напряжением и деформацией в этих условиях.

Эластичность - это способность материала возвращаться в исходное состояние или размеры после снятия нагрузки или напряжения.Упругая деформация обратима, то есть деформация исчезнет после снятия напряжения и материал вернется в исходное состояние. Материалы, которые подвергаются сильным уровням напряжения, могут деформироваться до такой степени, что напряжение и деформация больше не будут вести себя пропорционально, и материал не вернется к своим первоначальным размерам. Это называется пластической деформацией или пластической деформацией .

.

Упругость металлов - Справочник химика 21

    Модуль нормальной упругости -металлов также закономерно зависит от 1 или от степени заполнения [c.312]
    Модуль нормальной упругости -металлов также закономерно зависит от 2 или от степени заполнения электронами подуровня с1. Изменение модуля нормальной упругости в зависимости от 2 представлено на рис. 165, причем для Мп опять наблюдаются резкое отклонение оби его закона изменения. [c.323]

    Степень нарастания стабилизированных значений неупругих деформаций с увеличением амплитуды напряжений в определенной степени характеризует показатель циклического упрочнения Я = 1д а. Чем меньше Д, тем более интенсивно возрастают неупругие деформации с увеличением уровня циклических напряжений. При сравнении результатов удобнее-пользоваться относительным показателем циклического упрочнения Д = Я / , где Е — модуль упругости металла. [c.40]

    Наматывание спиралей. Иногда наматывать спирали приходится из таких жестких или упругих металлов, как никелин и нихром (спирали для реостатов и электроплиток), тогда должны быть применены приемы намотки, как и для пружин (раздел 3). [c.223]

    Распространенный прием, заключающийся в вытягивании пружины, неправилен (см. гл. 8, 4) (рис. 180, Л, и А2). Так, если и удается распрямить, то только тонкую проволоку из самых мягких металлов (медь и алюминий), причем проволока после выправления барашков окажется все же перекрученной в продольном направлении. Более упругие металлы и толстую проволоку распрямить вытягиванием нельзя. Правильно распрямляют, когда конец спирали поворачивают так, чтобы совершалась операция, противоположная примененной при скручивании (рис. 180, В). Если раскрутить пружину или спираль надо не у ее конца, а где-то в середине, то одну из половин раскручивают. [c.228]

    При п = О из формулы (3,34) вытекает формула (3.18), а при п = 1 (упругий металл) Мс = о р V/ (V/ = 5 / 6). [c.672]

    Второй период — вальцовка убирается из гнезда двойника и за счет сил упругости металла двойника труба, получившая остаточную деформацию, плотно сжимается, возникающие радиальные усилия от развальцовки создают вместе с отбортовкой очень прочное соединение трубы и двойника. Прочность и плотность развальцовочного соединения зависят от степени развальцовки, начального зазора между трубой и гнездом двойника, свойств материалов, состояния поверхностей соприкосновения, величины выступающего в двойник конца трубы и его отбортовки. [c.133]

    На ряд свойств стали низкие температуры влияют благоприятно. В 1,5—2 и более раз повышаются пределы прочности и упругости металла, а пропорционально им увеличивается и твердость. Однако вместе с тем у многих Сталей резко возрастает хрупкость, достигая у углеродистых сталей при минус 40—50° очень малой величины. При температурах порядка —180° и ниже детали, работающие под значительной нагрузкой, должны изготовляться из цветных металлов или высоколегированных сталей аустенитного класса, обычно содержащих в своем составе никель. Ударная вязкость этих сталей, если иногда и снижается, то все же остается в пределах вполне допустимых величин. Следует отметить, что у нержавеющих сталей коэфициент теплопроводности в 2—3 раза ниже, чем у обычных сталей. Это является во многих случаях большим преимуществом сталей аустенитного класса перед цветными металлами. [c.369]

    Такие материалы обладают высоким электрическим сопротивлением, поэтому потери на вихревые токи в них практически отсутствуют и их можно применять на высоких частотах. Модуль упругости этих материалов значительно меньще зависит от температуры, чем модуль упругости металлов. [c.38]

    Когда р достигает уровня о" прослойка сразу и целиком перейдет в пластическое состояние. В результате сдерживания ее деформации соседним, работающим упруго металлом на контактных плоскостях возникают и с ростом нагрузки увеличиваются касательные напряжения (рис. 2.4). [c.22]

    От и Ск — коэффициент теплового расширения трубок и корпуса т и — модуль упругости металла трубок и корпуса  [c.359]

    Выше предела упругости металл начинает деформироваться пластически и появляются остаточные деформации, величину которых мож- [c.220]

    Модуль нормальной упругости -металлов также закономерно зависит от Е или от степени заполнения электронами подуровня Изменение модуля нормальной упругости в зависимости от 2 представлено на рис. 150, причем Мп опять резко выпадает из общего закона изменения Е = f (2). [c.310]

    Для материала в замороженном состоянии определяют хрупкость (точку хрупкости). Для этого служит ряд приборов, с помощью которых можно определить хрупкость при низких температурах (приборы, основанные на ударе при низких температурах). Но хрупкость отнюдь не является характеристикой комплексного понятия морозостойкость . Она только служит мерой того, каким сопротивлением удару или толчку обладает этот материал при низких температурах. Точнее всего можно характеризовать область размягче-ния, так как в этой области кривая силы сопротивления имеет перегиб и энергетическая кривая обладает максимумом. Обе эти точки аналогично расположены в зависимости от температуры и физически определяются наиболее точно. Их можно называть показателями морозостойкости эластичного материала. Можно также выбрать узко ограниченную область температур для характеристики поведения на холоду, а именно переходную область от упругости металлов к области размягчения. Эта область логически должна быть обозначена как область замораживания. [c.77]


    Выше предела упругости металл начинает деформироваться пластически и появляются остаточные деформации, величину которых можно определить графически, проводя из точки, соответствующей напряжению, линию, параллельную прямой упругих деформаций, подчиняющихся закону Гука. [c.267]

    Начальной стадией деформации металла является упругая деформация (участок АВ рис. 2.8). С точки зрения кристаллического строения, упругая деформация проявляется в некотором увеличении расстояния между атомами в кристаллической решетке. После снятия нафузки атомы возвращаются в прежнее положение и деформация исчезает. Другими словами, упругая деформация не вызывает никаких последствий в металле. Чем меньщую деформацию вызывают напряжения, тем более жесткий и более упругий металл. Характеристикой упругости металла являются дна вида модуля упругости модуль нормальной упругости (модуль Юнга) - характеризует силы, стремящиеся оторвать атомы друг от друга, и модуль касательной упругости (модуль Гука) - характеризует силы, стремящиеся сдвинуть атомы относительно друг друга. Значения модулей упругости являются константами материала и зависят от сил межатомного взаимодействия. Все конструкции и изделия из металлов эксплуатируются, как правило, в упругой области. Таким образом, упругость - это свойство твердого тела восстанавливать свою первоначальнуто фор.му и объем после прекращения действия внешней нафузки. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется, в основном, типом кристаллической решетки. Так, например, модуль Юнга для магния (кристаллическая решетка ГП% ) равен 45-10 Па, для меди (ГКЦ) - 105-10 Па, для железа (ОЦК) - 210-10 Па. [c.28]

    Францевич И.Н., Воронов ф.ф., Бакута С.А. Упругие постоян- ные и модули упругости металлов и неметаллов Справочник, Киев Наук думйа, 1982. 285 с. [c.186]

    При выборе металла, удовлетворяющего требованиям минимальной массы, необходимо избегать противоречий с другими требованиями. Так, например, ограничением в некоторых случз51х оказывается низкий модуль упругости металла, определяющий жесткость и устойчивость элемента конструкции, а также невысокая жаропрочность или коррозионная стойкость металла в определенных средах. [c.12]

    Концентрацию напряжений как первого, так и второго вида можно определить с учетом упругости металла. Б настоящее время простых и общедоступных методов определения концентрации напряжений в сварных соединениях не имеется. Поэтому в инженерных расчетах ее не определяют, а необходимые для расчетов напряжения находят на основе кинематического метода, полагая соединенные швами детали абсолютно жесткими. Единого, полностью разработанного метода расчета всех видов напряжений в швах, в том числе и с учетом концентрации напряжений, пока нет. Сложились отдельные методы и приемы, позволяющие определять тот или иной вид концентрации напряжений в отдельных случаях. Целесообразно поэтому имеющиеся сведения об определении напряженйй в сварных, соединениях рассмотреть, сгруппировав их по нескольким направлениям кинематический метод, определение концентрации первого вида, определение концентрации второго вида, общий подход на основе использования метода конечных элементов (МКЭ). [c.82]

    Определение полной концентрации напряжений в сварных соединениях. Большую практическую и теоретическую проблему представляет разработка универсального метода определения напряжений в сварных соединениях с учетом упругости металла и концентрации напряжений, вызванной их формой. Принципиально эта проблема может быть решена на основе применения метода конечных элементов (МКЭ), когда вся рассматриваемая деталь разбивается на большое число объемных конечных элементов с необходимым их измельчением в зонах высокой концентрации напрахсений. [c.97]

    Эластические свойства резины определяются ее главным компонентом—синтетическим или натуральным каучуком. Для любых каучуков и резин характерен низкий модуль упругости". Так, модуль упругости резины находится в пределах 10—100 кгс1см , тогда как модули упругости текстильных материалов, кожи, пластических масс составляют 100—100 ООО кгс1см , модуль упругости металлов—800 ООО—2 ООО ООО кгс см . Эластические свойства резин проявляются в широких температурных пределах—в среднем от —50 до -[-150 С для обычных резин. Морозо- и теплостойкие резины сохраняют эластичность при гораздо более низких или высоких температурах. [c.477]

    Пьезомодули измеряют на пленке с нанесенными на нее металлическими электродами. Модуль упругости металла значительно превышает модуль упругости полимерной пленки, поэтому при определении иьезомодулей тонких пленок следует учитывать влияние слоя металлизации на измеряемое значение пьезомодуля  [c.178]

    Для современной техники большой интерес представляет определение характеристик упругости металлов при обычной (комнатной) и высоких температурах. Упругие храктеристики В, О, 11 связаны со скоростями распространения продольных и сдвиговых (поперечных) волн. Измерив скорость УЗК в каком-либо металле, можно рассчитать его упругие характеристики по формулам, приведенным в табл. 3, [c.194]

    Предварительный и последующий подогрев металла при сварке уменьшает разность температур между отдельными точками тела, снижает предел текучести и модуль упругости металла, что приводит к уменьшению пластических деформаций. В ряде случаев при подогреве требуется меньшая затрата теплоты при сварке, что может уменьшить размеры зон упругопластических деформаций. Цодогрев снижает скорость охлаждения и этим влияет на характер структурных превращений, изменяя благо- [c.519]

    Аппараты, защищенные силикатными эмалями, нельзя стропить за штуцера, патрубки, горловины, так как даже при незначительных деформациях, не выходяндих за пределы упругости металла, в покрытии могут возникнуть разрушающие напряжения. При погрузке на транспортные средства под эти аппараты необходимо подкладывать эластичные подкладки или подстилки, смягчающие удары (солома, стружка, войлок и т. д.). [c.226]

    Если I — момент инерции вала, а и 6 — расстояния от диска до опор, а — модуль упругости металла вала, то при свободном опнрании концов вала [c.331]

    Например, если колесо расширяется больше, чем напрессованное на него уплотнительное кольцо, т.о последнее при нагреве может растянуться настолько, что предел упругости металла будет превзойден, и после охлаоюдения между кольцом и колесом появится зазор. С другой стмроны, если уплотнительное кольцо корпуса расширяется болыие, чем корпус, то ко.гьцо может быть сжато при нагреве так, что предел упругости его металла будет превзойден и после охлаждения появится зазор между кольцом и корпусом. [c.384]

    Сталь обладает сцеп. ением или связностью частиц в большей мере, чем другие металлы, как видно из того, что она разрывается только при грузе 50 — 80 кг на кв. миллиметр, тогда как железо—ири грузе около 30 кг, чугун 10, медь 25, серебро 23, платина 30, дерево 8 кг. Упругость железа и стали также больше, чем других металлов. Она выражается так называемым коэффициентом уаругости. Взяв прут длиною L, навесим на конец его груз Я, прут удлинится на /. Чем меньше это удлинение при прочих равных условиях, тем материал упруже, если только по снятии груза он примет первоначальную длину L. Исследование показало, что величина упругого удлинения / прямо пропорциональна длине L и грузу Р и обратно пропорциональна сечению, но изменяется от материала. Коэффициент упругости выражает тот груз (в килограммах на кв. миллиметр), при коем прут с сечением, принятым условно за 1 (мы берем 1 кв. мм), удваивается в длине упругим образом. (Но такого удлинения в действительности, конечно, материалы не выдерживают, при некотором грузе они достигают предела упругости, т.-е. растягиваются, изменяются пластически или рвутся.) Отбрасывая мелкие дроби (тем более, что упругость металлов изменяется яе только с температурою, но и с ковкою, от подмесей и т. д.), коэффициент упругости для стали и железа около 20(Ю0, меди, латуни, бронзы около 1O0 K3, серебра 7000, стекла 6000, свинца 2000 и дерева около 1200. [c.590]

    Приведенные на рис. 1.15 данные показывают, что форма зависимости напряжений в свободноизгибающейся полосе от соотношения толщин одинакова, для всех материалов, однако абсолютная величина зависит от соотношения модулей упругости. Причем, чем ниже модуль упругости металла, тем меньше напряжения в покрытиях, особенно при малых значениях толщин. При больших толщинах покрытия, близких к толщине металла, эти различия менее существенны. [c.32]


Упругость и прочность металла

Давным-давно, когда еще не было интернета и кабельного телевидения, люди искали развлечения на ярмарках и открытых представлениях, проходивших на улице. Всегда пользовался оглушительным успехом номер силачей, которые на глазах у удивленной публики сгибали голыми руками стальной брус, разогнуть который обратно уже не могли вызванные из толпы желающие зрители. 

Секрет подобного трюка был прост. Дело в том, что перед выступлением металлический предмет нагревали в кузнечном горне, именно после этой процедуры металл под небольшим усилием сгибался. А при деформировании он вновь начинал приходить к своему первоначальному состоянию. Именно поэтому даже самые подготовленные атлеты не могли разогнуть обратно этот самый металлический элемент.

То, что металл испытывает упрочнение при деформации, знали еще в шестом веке до нашей эры, но разные металлы по-разному реагируют на подобную нагрузку. Приведем простой пример. Если попытаться согнуть металлическое лезвие, оно тотчас же распрямиться и примет свой первоначальный вид. А если вы попробуете согнуть медную проволоку, то она так и останется в подобном деформированном состоянии. Именно это состояние учитывается в первую очередь при получении разнообразных кованых предметов.

Часто металлы соединяют друг с другом, в результате чего получают разнообразные сплавы. Подобных веществ сегодня довольно много, и применяются они практически во всех сферах жизни и деятельности человека. Конечно, их изготовление требует особенного внимания из-за того, например, что при их получении должна выдерживаться определенная температура. И именно в жидком состоянии сплав должен перемешиваться, так как это обеспечит веществу однородность и исключит расслаивание. Для большего эффекта во время производства сплавов поверхность обычно прикрывают специальным флюсующим составом либо содой. Качественное изделие может получиться только при использовании переплавленного два раза вещества для отливки. Самыми известными считаются следующие рецепты сплавов.

  • Для получения сплава алюминия с золотом нужно взять двадцать две части алюминия, и семьдесят восемь частей золота. Используя небольшую часть драгоценного металла, можно получить ничем не отличающееся от настоящего золота изделие.
  • Сильно похож по своему внешнему виду сплав золота с алюминием и медью. Для его приготовления используют девяносто частей меди, две с половиной части золота и семь с половиной частей алюминия. Иначе такой состав еще носит название «Нюрнбергское золото».
  • Пять частей серебра и девяносто пять частей алюминия при профессиональном смешивании образуют сплав алюминия с серебром. Материал характеризуется своей твердостью и упругостью.
  • Сплав меди и алюминия. В этом случае сначала расплавляют девяносто – девяносто пять частей меди, и после этого прибавляют к нему пять – десять расплавленных частей алюминия. Результат – алюминиевая бронза.


Как уже было сказано выше, однородности вещества можно достичь при помощи повторной переплавки. Полученную смесь засыпают мелким порошком древесного угля. В сплаве преобладает золотистый цвет меди. В продаже алюминиевая бронза имеется в виде листов и проволоки. Хорошо поддается ковке под воздействием высоких температур. В домашних условиях ее легко деформировать с помощью мягкого припоя, но это в случае если в сплаве содержится от одного до пяти процентов алюминия.

  • Для приготовления сплава алюминия по Крупу нужно заранее запастись восьмьюдесятью пятью частями алюминия, восьмью частями меди и пятью частями олова. Поверхность изделий, изготовленных из этого сплава, отличается своей красивой гладкостью и холодным блеском. Помимо всего прочего, он легко поддается обработке.
  • Сплав цинка, олова и меди. Восемьдесят пять частей меди, тринадцать частей цинка и две части олова. Имеет золотистый цвет поверхности и используется для выполнения ювелирных изделий, которые легко принимают за настоящий драгоценный металл.

НЕКОТОРЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ПОДШИПНИКОВ

  • Сплав для получения материала большой прочности: восемьдесят три с половиной части олова, восемь с половиной частей сурьмы и восемь с половиной частей меди.
  • Сплав, характеризующийся по своим качествам как более мягкий, чем вышеописанный вариант: восемьдесят девять частей олова, семь частей сурьмы, четыре части меди.
  • Для изделий, испытывающих большие нагрузки: пятьдесят частей олова, тридцать пять частей свинца, пятнадцать частей сурьмы.
  • Используется для изготовления вкладышей. Девятнадцать с половиной частей олова, пятнадцать с половиной частей сурьмы, шестьдесят три с половиной части свинца, одну часть меди и одну третью части цинка.
  • Из сплава изготавливают небольшие изделия. Восемьдесят частей свинца, пятнадцать частей сурьмы, пять частей олова.

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НАКАНУНЕ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

УПРУГИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НАКАНУНЕ МАРТЕНСИТНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ

Научная статья

Муслов С.А. *

ORCID 0000-0002-9752-6804,

Московский Государственный Медико-Стоматологический Университет (МГМСУ) им. А.И. Евдокимова Минздрава РФ, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (muslov[at]mail.ru)

Аннотация

Выполнен обзор упругого поведения материалов в области температур, предшествующей мартенситным превращениям (МП). Подчеркнуто, что характер изменения упругих постоянных накануне данных превращений крайне информативен при изучении как механизмов, так и природы структурных переходов, поскольку упругие модули определяют сопротивление кристаллической решетки однородным сдвигам и влияют на устойчивость структур при мартенситной перестройке. Все металлы и их соединения по характеру изменения упругих свойств можно условно разделить на три группы. В 1-й группе температурная зависимость упругих модулей нормальна (температурный коэффициент меньше нуля) и фазовые превращения происходят вдали от точки потери устойчивости металлов и интерметаллидов. Общим для всех соединений 2-й группы является аномальное “размягчение” упругих постоянных монокристаллов сплавов перед МП. При этом, как правило, “размягчается” упругая константа , соответствующая бейновской деформации и структурной перестройке решетки, она же меньше всех остальных постоянных cij. Сплавам 3-й группы присущи аномальное уменьшение модуля  и резкий рост упругой анизотропии А = с44/ до катастрофических значений. Для части интерметаллидов характерен вид предмартенситной нестабильности, обнаруженный в B2 соединениях на основе никелида титана и заключающийся в одновременном “размягчении” всех сдвиговых и продольных модулей упругости и снижению коэффициента упругой анизотропии. В результате решетка становится мягкой во всех основных системах сдвига, что обеспечивает многообразие структурных фазовых переходов в этой группе сплавов и уникальные свойства памяти формы и сверхэластичности.

Ключевые слова: упругие свойства, мартенситные превращения.

ELASTIC PROPERTIES OF METALS AND ALLOYS BEFORE MARTENSITE TRANSFORMATIONS

Research article

Muslov S.A. *

ORCID 0000-0002-9752-6804,

A.I. Yevdokimov Moscow State University of Medicine and Dentistry (MSUMD), Ministry of Health of the Russian Federation, Moscow, Russia

* Corresponding author (muslov[at]mail.ru)

Abstract

A review of the elastic behavior of materials in the temperature region before martensitic transformations (MP) is carried out. The nature of changes in elastic constants before these transformations is extremely informative in studying both the mechanisms and the nature of structural transitions, since elastic modules determine the resistance of the crystal lattice to uniform shifts and influence the stability of structures during martensitic rearrangement. All metals and their alloys by the nature of the change of elastic properties can be divided into three groups. In the 1st group, the temperature dependence of the elastic moduli is normal (the temperature coefficient is less than zero) and phase transformations take place far from the point of loss of stability of metals and intermetallic compounds. The anomalous “softening” of elastic constants of single crystals of alloys before the MP is common for all compounds of the 2nd group. In this case, as a rule, the elastic constant “softens” , corresponding to the Bane deformation and lattice structural adjustment, it is smaller than all the other constants cij. Alloys of the 3rd group are characterized by an anomalous decrease in the modulus  and a sharp increase in the elastic anisotropy А = с44/  to dramatic values. The part of the intermetallic compounds is characterized by the type of premartensitic instability, found in B2 compounds based on titanium nickelide and consisting in the simultaneous “softening” of all the shear and longitudinal moduli of elasticity and a decrease in the elastic anisotropy coefficient. As a result, the lattice becomes soft in all major shear systems, which ensures the diversity of structural phase transitions in this group of alloys and the unique properties of shape memory and super elasticity.

Keywords: elastic properties, martensitic transformations.

Введение

Мартенситным превращениям (МП) в металлах и сплавах, как правило, предшествуют закономерные изменения структуры и свойств материалов. Такие изменения часто аномальны. К настоящему времени накоплено большое количество экспериментальных данных по предпереходному поведению физико-механических свойств и эволюции кристаллической и электронной структуры металлов и сплавов (табл. 1). Несмотря на все многообразие наблюдаемых предпереходных явлений их информативность неравноценна. Обладая относительно высокой чувствительностью часть физических характеристик (электросопротивление, тепловые свойства и другие) только фиксирует наличие предпереходных состояний, но малоинформативна в плане выяснения  физической природы этих состояний и их генетической связи с последующим МП. Более прямую информацию о состоянии материала накануне фазовых переходов несет исследование его упругих свойств. При этом данные об упругих постоянных сij монокристаллов непосредственно отражают характер и величину межатомных связей и устойчивость исходной фаз и формированию предмартенситных и мартенситных структур. В линейном приближении упругие свойства кубических кристаллов полностью описываются матрицей, которая содержит три независимые упругие постоянные с11, с12 и с44. Из них постоянная с44 имеет непосредственный физический смысл как мера сопротивления кристалла сдвигу в плоскости куба [100] вдоль любого направления, лежащего в этой плоскости. Элементы матрицы с11 и с12 такой непосредственной интерпретации не имеют. Но их линейные комбинации B и  являются мерами сопротивления кристаллов гидростатическому сжатию и сдвигу в плоскости {110} в направлениях . Помимо этого аномально низкая величина  может свидетельствовать о наличии “мягкой” моды в длинноволновой части фононного спектра кубической решетки TA2 в предмартенситной области. При этом, с44 и  – всегда наибольший и наименьший модули сдвига в кубическом кристалле (реже наоборот). Именно поэтому степень упругой анизотропии кристаллов чаще всего определяется отношением . Оно характеризует степень сопротивления кристалла двум основным типам сдвиговой деформации. Для упруго-изотропного кристалла . Металлы и сплавы в подавляющем большинстве упруго-анизотропны и . При охлаждении металлов и сплавов упругие модули растут, а температурный коэффициент dсijijdT обычно составляет  [1], т.е. –(2-5) % на 100°C.

Таблица 1 – Сведения об аномалиях свойств и структуры кристаллов накануне фазовых переходов

Физико-механические свойства,

атомно-кристаллическая и электронная

структура

Аномальные характеристики
Оптические свойства Показатели преломления и отражения, оптическая проводимость, действительная и мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости, тонкая структура рентгеновских эмиссионных и спектров поглощения
Кинетические свойства Диффузионная подвижность атомов
Тепловые свойства Теплосодержание, термо э.д.с., теплоемкость, коэффициент термического расширения
Магнитные свойства Коэффициент Холла, магнитная восприимчивость, магнитосопротивление
Электрические свойства Удельное электросопротивление, экзоэлектронная эмиссия
Механические свойства Хрупкость, твердость, сопротивление микропластической деформации, пластичность. предел текучести, напряжение мартенситного сдвига
Акустические свойства Акустическая эмиссия, скорость и затухание звука
Упругие свойства Модули упругости поликристаллов, упругие постоянные 2-го и 3-го порядка монокристаллов
Фононная подсистема Фононный спектр, эффекты диффузного рассеяния электронов, рентгеновских лучей и нейтронов, параметры ЯГР
Электронная подсистема Функция плотности состояний, топология поверхности Ферми, волны зарядовой плотности (ВЗП)

В зависимости от поведения сij в интервале температур, предшествующих МП можно выделить три группы металлов и сплавов [2]  (табл. 2).

 

Таблица 2 – Предмартенситное поведение упругих свойств в материалах

Группа А

Материалы со стабильной решеткой

Группа Б

Материалы с тенденцией уменьшения стабильности

Группа В

Материалы с резким уменьшением стабильности

Fe-C, Fe-Cr-Ni, Fe-Mn-C, Co, Co-Ni, Fe-Ni, (< 30 ат.% Ni),

Li (о.ц.к.-г.п.у., MS=78 K),

Na (о.ц.к.-г.п.у., MS=35 K)

β-фазы Юм-Розери: CuZnAl, CuAlNi, CuZn, CuSn, Cu3-xMnxAl, AuZn, Au-Cd, AuAgCd, AuCuZn, AgZn, AgCd, NiAl, Ti, Zr, Hf, Ti (Mo,V, Nb), Ti-Cr, Zr-Nb. TiNi. Fe-Ni (> 30 ат.% Ni), Fe-Pt (вблизи Fe3Pt), Fe-Pd, U Сверхпроводящие соединения:

A15 (V3Si, Nb3Sn), A1 (In-Tl, In-Cd,)

C15 (V2Zr, V2Hf),

антиферромагнитные сплавы: A1 (Mn-Cu, Ni-Mn, AuMn-AuZn)

 

Группа А

Настоящую группу составляют в основном сплавы на основе α-железа, а также щелочные металлы Li и Na [3, 4]. МП в них являются четко выраженными фазовыми переходами 1-ого рода с нормальной температурой зависимостью упругих свойств dcij/dT < 0 (рис. 1, a). В предпереходной области температур слабые аномалии испытывают лишь отдельные характеристики материалов. Таким образом, МП в этой группе металлов и сплавов происходят вдали от точки потери кристаллической решетки механической устойчивости.

Группа Б

Её образуют многочисленные β-фазы Юм-Розери на основе меди, серебра и золота с упорядоченной ОЦК структурой В2 (CsCl) и DO3 (типа Fe3Al) и ГЦК сверхструктурой типа Гейслера L12 (Cu2MnAl), B2 сплавы переходных металлов с компонентами правее и левее группы хрома NiAl, TiNi, металлы IY группы [Ti, Zr, Hf] и твердые растворы на их основе (кристаллического типа А2), а также ферромагнитные Fe-Ni, Fe-Pt и Fe-Pd ГЦК разупорядоченные А1 и упорядоченные со сверхрешеткой L12 сплавы. Общим для всех соединений является “размягчение” упругих постоянных монокристаллов сплавов перед МП. Под “размягчением” обычно понимается отклонение от линейной зависимости температурной зависимости упругих постоянных или их комбинаций. При этом, как правило, “размягчается” упругая константа , соответствующая бейновской деформации [5], она же меньше всех остальных постоянных cij (рис. 1, б).

Рис. 1 – Упругие постоянные cij вблизи МП: (a) Na, (b) CuZnAl, AuCd, (c) FePt, InTl, InCd, (d) V3Si, Nb3Sn, (e) ZrNb, (f) FeNi

Рис. 2 – Величина упругих постоянных с44 ,  и коэффициента упругой анизотропии  монокристаллов различных сплавов вблизи температур МП

 

В некоторых сплавах со структурой β-фазы Нагасава и др. также обнаружили “мягкие” моды, но несколько иное поведение упругих постоянных [6]. Помимо константы , которая “размягчается” задолго до перехода, начиная с некоторой температуры, наблюдается “смягчение” “специальной моды” cS, контролирующей систему сдвига близкую к {112}<111>. Как известно, подчеркивают авторы, этот сдвиг соответствует второму этапу перестройки о.ц.к. структуры при переходе в г.п.у. фазу по схеме Бюргерса.

В сплавах Zr-Nb упругие аномалии предшествуют образованию ω-фазы, широко распространенной в нестабильных сплавах титана и циркония [7]. Упругая постоянная с44 испытывает небольшое “размягчение” перед MS при нормальной температурной зависимости коэффициентов  и c11. При этом, упругая анизотропия А невелика, а накануне перехода дополнительно уменьшается (рис. 1, д). Установлено также, что при легировании ZrNb атомами Nb вместе Zr и стабилизации А2 структуры к  переходу упругие модули становятся “жестче”, а упругие аномалии вырождаются.

В железоникелевых сплавах [8] “размягчение” упругих модулей имеет место только в том случае, когда точка Кюри Тс расположена выше Мs, что имеет место при содержании никеля в сплавах больше 30% (рис. 1, е). В этих сплавах упругие аномалии обусловлены формированием магнитной структуры. В монокристаллах разупорядоченного сплава Fe-Pt со структурой A1 вблизи стехиометрического состава (концентрация платины по химическому анализу 28,15 ат. %) вследствие инварных свойств сплава перед г.ц.к.-о.ц.к. переходом имеют аномалии все упругие постоянные сL = 1/2 (c11+c12 +2c44),  и с44 (рис. 1, в).

Группа В

В нее входят соединения с кристаллическим типом А15 со структурой типа β-вольфрама (V3Si, Nb3Sn), A1 (InTl, InCd, …) и С15 (V2Zr,V2Hf), которые накануне перехода в сверхпроводящее состояние претерпевают структурные фазовые переходы мартенситного типа, а также антиферромагнитные A1 сплавы на основе γ-Mn, испытывающие в точке Нееля антиферромагнитное упорядочение, сопровождающееся магнитострикционным искажением исходной кубической решетки. В этих сплавах МП близки к фазовым переходам 2-го рода и им предшествует интенсивное “размягчение” упругих постоянных решетки иногда одновременно нескольких (рис. 1, в, г). При исследовании упругих констант в монокристаллах V3Si в интервале температур 4,2-300 К обнаружено, что величина постоянных c11 и c44 при охлаждении уменьшается на 37,4% и 5,8%, соответственно. Еще больше изменение претерпевает сдвиговой модуль : охлаждение V3Si от 300 до 25 К в приводит к уменьшению  в 10 раз. При этом c44 слабо зависит от температуры. Аналогичное проведение упругих модулей монокристаллов было зафиксировано и в изоструктурном соединении Nb3Sn. Аномальное уменьшение модуля  и рост упругой анизотропии А = с44/  до катастрофических значений (рис. 2) наблюдали также в сплавах InTl и InCd с эффектом памяти формы накануне перехода г.ц.к.-г.ц.т. Наконец, критически сильное “размягчение” было обнаружено в сплавах γ-марганца перед образованием тетрагонального мартенсита, а также в бинарных интерметаллических сверхпроводящих фазах Лавеса типа А2В V2Zr и V2Hf при переходах кубическая-ромбоэдрическая и кубическая-тетрагональная решетка, соответственно.

Сплавы на основе TiNi

До некоторых пор имелись единичные случаи [9] измерения упругих постоянных в монокристаллах TiNi, интерметаллида известного наиболее выраженными среди сплавов эффектами памяти формы и сверхэластичности [10]. Как правило, это объяснялось техническими сложностями, которые возникали при попытках вырастить кристаллы данного сплава с размерами, которые бы подошли для ультразвуковых исследований. Интересно отметить, что обе постоянные с44 и  кристаллов NiTi имели относительно низкие значения и при охлаждении дополнительно снижались. В интервале 293-303K , то есть скорость снижения с44 более чем в два раза выше, чем у  (+11,4 и +28,3 % на 100 K). В результате коэффициент анизотропии сплава  изменяется от 2,18 при 313 К до 1,90 при 278 К и не является аномально большим как в других сплавах, испытывающих МП и обладающих памятью формы (рис. 2). Упругие постоянные монокристаллов на основе NiTi весьма подробно были изучены в работах [11], [12].

В [13] произведено сравнение упругого поведения сплавов на основе никелида титана и других интерметаллидов с ОЦК решеткой в интервале температур, предшествующих мартенситным переходам в них (табл. 3).

 

Таблица 3 – Сравнение упругих свойств TiNi с упругими свойствами других ОЦК сплавов вблизи МП

Примечание: * ЗЗдесь “смягчение” означает частичное смягчение, СБП – сдвиг в базальной плоскости ().

 

В [14] были исследованы упругие постоянные монокристаллов сплавов TiNi-TiFe, стабильных и постепенно теряющих устойчивость сначала к одному B2-R, а затем и к двум МП B2-R-B19′ (рис. 3). Это позволило связать эволюция упругих свойств с изменениями в структуре сплавов.

Рис. 3 – Поведение упругих постоянных решетки c44 (a) и  (b) монокристаллов Ti50Ni50-хFeх, x=50, 25, 10, 5, 2 (1-5) и Ti49Ni51 (6), соответственно

 

В сплавах на основе TiFe (Ti50Fe50 и Ti50Ni25Fe25), состав которых далек от сплавов с МП, упругие постоянные решетки С’ и с44 при охлаждении ведут себя нормально (dC’/dT < 0, dc44/dT < 0), а их значения достаточно высоки. Можно отметить только следующие особенности упругих характеристик сплавов: редкую для металлических систем анизотропию кристаллов Ti50Fe50 () и, в результате уменьшения модуля С’, практически полную изотропность упругих свойств решетки интерметаллида Ti50Ni25Fe25 (). Первые явные признаки снижения устойчивости В2-структуры исследуемых сплавов наблюдаются в сплавах с переходным содержанием железа ( ат.%). В Ti50Ni35Fe15 нормальная температурная зависимость С'(Т) и с44(Т) ниже некоторой температуры постепенно становится аномальной. Поскольку с увеличением содержания никеля С’ снижается более интенсивно, чем c44, коэффициент упругой анизотропии в этом сплаве становится больше единицы. В Ti50Ni40Fe10 “размягчение” упругих постоянных наблюдается во всем исследованном температурном интервале (77-873 K) и усиливается в области низких температур. Однако это “размягчение” не достигает критических значений и МП не реализуются. Таким образом, аномальное поведение модулей упругости в предмартенситном диапазоне состояний может наблюдаться даже в материалах, не испытывающих самих МП. Наконец, в сплавах на основе TiNi ярко выраженные аномалии упругих свойств завершаются превращением В2-R в Ti50Ni45Fe5 (при 185 К) и цепочками превращений В2-R-В19′ в Ti50Ni48Fe2 и Ti49Ni51 при температурах ниже 240 и 285 К, соответственно. Вблизи структурных переходов “размягчение” решетки сплавов возрастает, причем с44 испытывает более сильные изменения, чем С’. В результате исходная В2-решетка приближается к упруго-изотропной, а её сопротивление деформированию становится аномально низким во всех основных кристаллографических системах сдвига (табл. 4).

 

Таблица 4 – Модули упругости в основных кристаллографических системах атомных смещений в кубических кристаллах

Низкая величина A указывает на то, что в исследованных сплавах имеется несколько “мягких” систем сдвига  и др., что обеспечивает многообразие структурных фазовых превращений и их цепочек в этой группе сплавов и уникальные свойства памяти формы и сверхэластичности. Об этом же – наличии “мягких” мод – свидетельствуют тяжи в определенных направлениях обратной решетки и экстрарефлексы в определенных положениях на картинах микродифракции в сплавах на основе TiNi [15, 16].

Благодарности

Работа выполнена в соответствии с планом НИР AAAA-A16-116102010059-6 ФГАНУ ЦИТиС (2017-2021 гг.) кафедры НФ и МФ МГМСУ им. А.И. Евдокимова.

Acknowledgement

The work was carried out in accordance with the research plan AAAA-A16-116102010059-6 of FSANU CITIS (2017–2021) of the Department of NF and MF A.I. Evdokimova MSUMD.

Конфликт интересов

Не указан.

Conflict of Interest

None declared.

Список литературы / References

  1. Упругие постоянные и модули упругости металлов и неметаллов: Справочник. Под ред. И.Н. Францевича. Киев: Наукова Думка (1982) 286 с.
  2. Guénin G. Contribution a l’etude de la nucleation transformations martensitiques thermoelastiques cas de l’alliage ternaire Cu-Zn-Al /G. Guénin // These… docteur-ingenieur. Lyon, 1979. 167 р.
  3. Everson J. H. Phys. Status solidi / J. H. Everson, J. H. Chen, Ph. C. Clapp // A59 2 795 (1980).
  4. Martinson R. H. Phys. Rev / R. H. Martinson. 178 3 902 (1969).
  5. Landa M. Materials Science and Engineering / M. Landa A 462 320 (2007).
  6. Nagasawa A. Proc. Int Conf. Martensitic Transform / A. Nagasawa // ICOMAT (1979) Cambridge, Mass., USA. 423 (1979).
  7. Goasdoue C. Acta met / C. Goasdoue, P. S. Ho, S. L. Sass // 20 5 725 (1972).
  8. Robin M. Etude de la transformation martensitique en avalanche d᾿un alliage de fer a 32% de nickel et de l᾿emission electrique associee. Thèse … docteur d᾿etat es-siences / M. Robin. Lyon, (1981) 249 p.
  9. Mercier O. Appl. Phys / O. Mercier, K. N. Melton, G. Gremaud, J. J. Hagi. (1980) 51 3 1833.
  10. Муслов С. А. Применение материалов с эффектом памяти формы в науке, технике и медицине C. A. Муслов. – М.: Издательский дом “Фолиум” (2007) 328 с.
  11. Кузнецов А. В. Известия вузов, сер. Физика / A. B. Кузнецов, C. A. Муслов, A. И. Лотков. (1987) 7 98.
  12. Муслов С. А. Известия вузов, сер. Физика / С. А. Муслов, А. В. Кузнецов, В. Н. Хачин и др. (1987) 8
  13. Otsuka K. Progress in Materials Science / Otsuka X. Ren. 50 511 (2005).
  14. Муслов С. А. Предмартенситные состояния в монокристаллах сплавов TiNi-TiFe и TiNi-TiCu: (01.04.07): Дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук / Том. гос. ун-т им. В.В. Куйбышева / C. A. Муслов, 1987. – 166 с.
  15. Хачин В. Н. Доклады АН СССР / B. H. Хачин, C. A. Муслов, В. Г. Пушин и др. (1987) 295 3 606.
  16. Муслов С. А. Письма о материалах / С. А. Муслов, В. Н. Хачин, В. Г. Пушин и др. (2015) 5 4 420.

Список литературы на английском / References in English

  1. Uprugiye postoyannyye i moduli upru-gosti metallov i nemetallov [Elastic Constants and Elastic Moduli of Metals and Nonmetals: a Handbook.] Ed. by I.N. Frantsevich. Kiev: Naukova Dumka (1982) 286 p. [In Russian]
  2. Guénin G. Contribution a l’etude de la nucleation transformations martensitiques thermoelastiques cas de l’alliage ternaire Cu-Zn-Al /G. Guénin // These… docteur-ingenieur. Lyon, 1979. 167 р
  3. Everson J. H. Phys. Status solidi / J. H. Everson, J. H. Chen, Ph. C. Clapp // A59 2 795 (1980).
  4. Martinson R. H. Phys. Rev / R. H. Martinson. 178 3 902 (1969)
  5. Landa M. Materials Science and Engineering / M. Landa A 462 320 (2007).
  6. Nagasawa A. Proc. Int Conf. Martensitic Transform / A. Nagasawa // ICOMAT (1979) Cambridge, Mass., USA. 423 (1979).
  7. Goasdoue C. Acta met / C. Goasdoue, P. S. Ho, S. L. Sass // 20 5 725 (1972).
  8. Robin M. Etude de la transformation martensitique en avalanche d᾿un alliage de fer a 32% de nickel et de l᾿emission electrique associee. Thèse … docteur d᾿etat es-siences / M. Robin. Lyon, (1981) 249 p.
  9. Mercier O. Appl. Phys / O. Mercier, K. N. Melton, G. Gremaud, J. J. Hagi. (1980) 51 3 1833.
  10. Muslov S. A. Primeneniye materialov s effektom pamya-ti formy v nauke, tekhnike i meditsine [Use of Materials with Shape Memory Effect in Science, Technology and Medicine] / S. A. Muslov. – M.: Publishing house “Folium” (2007) 328 p. [In Russian]
  11. Kuznetsov A. V. Izvestiya vuzov, ser. Fizika [Proceedings of universities, ser. Physics] / A. V. Kuznetsov, A. Muslov, A. I. Lotkov and others (1987) 7 98. [In Russian]
  12. Muslov S. Izvestiya vuzov, ser. Fizika [Proceedings of universities, ser. Physics] / S. A. Muslov, A. V. Kuznetsov, V. N. Khachin and others. (1987) 8,104. [In Russian]
  13. Otsuka K. Progress in Materials Science 50 511 / K. Otsuka, X. Ren. (2005).
  14. Muslov S. A. Predmartensitnyye so-stoyaniya v monokristallakh splavov TiNi-TiFe i TiNi-TiCu: [Premartensitic States in Single Crystals of TiNi-TiFe and TiNi-TiCu Alloys:] / S. A. Muslov (01.04.07): PhD thesis in Physics and Mathematics / Tomsk state university named after V.V. Kuibyshev, 1987. – 166 p. [In Russian]
  15. Khachin V. N. Doklady AN SSSR [Reports of the USSR] / V. N. Khachin, S. A. Muslov, V. G. Pushin and others. Academy of Sciences (1987) 295 3 606. [In Russian]
  16. Muslov S. Pis’ma o materialakh (2015) [Material Letters (2015)] / S. A. Muslov, V. N. Khachin, V. G. Pushin and others. 5 4 420. [In Russian]

5 Неполная упругость металлов - СтудИзба

Тема 2 Неполная упругость металлов. Эффект Баушингера.

Упругое последействие. Внутреннее трение (2 часа)

         План лекции

1. Упругие свойства.

2. Эффект Баушингера.

3. Упругое последействие.

4. Внутреннее трение.

5. Экспериментальные методы определения внутреннего трения.

6. Блок-схема крутильного маятника.

В области упругой деформации у металлов и сплавов наблюдается ряд отклонений от чисто упругого поведения.

Одним из известных проявлений неполной упругости металлов является эффект Баушингера. Он заключается в том, что при повторном нагружении пластически слабодеформированного образца в обратном направлении его сопротивление малым пластическим деформациям снижается. Допустим, мы растянули образец на 1…2 % (до точки а, рисунок 5). Теперь снимем нагрузку и будем подвергать его сжатию. Кривая напряжение – деформация (О'ес) будет лежать ниже соответствующей кривой (О'b), которую мы получили бы при повторном растяжении. Если точка b соответствует здесь началу пластической деформации, то отрезок bc=δБ представляет так называемую баушингеровскую деформацию, которая является одной из основных количественных характеристик эффекта Баушингера.

Процесс, определяющий этот  эффект, состоит в обратном движении дислокаций, порожденных различными источниками при первоначальном растяжении. На начальных стадиях деформации постепенно растущее число генерируемых дислокационных петель движется относительно легко и на значительные расстояния вплоть до остановки у каких-либо барьеров. Возникающая дислокационная структура достаточно стабильна и мало меняется в результате разгрузки. Поэтому при повторном растяжении сопротивление деформированию либо несколько возрастает, либо практически не меняется по сравнению с первоначальным. При изменении же знака напряжения дислокации вынуждены двигаться обратно по направлению к источникам. В результате перемещения дислокаций появляется дополнительная баушингеровская деформация.

После значительной предварительной пластической деформации перераспределение дислокаций при обратном нагружении затрудняется и баушингеровская деформация приближается к нулю.

Особенно большое практическое значение эффект Баушингера имеет при эксплуатации и испытаниях в условиях циклического нагружения.

К важным проявлениям неполной упругости металлов относится упругое последействие. Оно свидетельствует о том, что не вся обратимая деформация металла является чисто упругой. Возьмем образец и создадим в нем напряжение в пределах упругого участка кривой напряжение – деформация [1]. После разгрузки такой образец будет иметь те же размеры, что и до нагружения. Проследим, однако, как будет изменяться его удлинение во времени под действием приложенного напряжения и после разгрузки. Соответствующая диаграмма представлена на рисунке 6.

 

   

Рисунок 5 – Схема эффекта Баушингера

Оказывается, что образец деформируется чисто упруго лишь на величину ОС, а затем удлиняется гораздо медленнее по закону, близкому к параболическому. После разгрузки в точке К происходит очень быстрое снятие чисто упругой деформации (КМ≈ОС), а затем – относительно медленное – остальной деформации. В конце концов, δ=0 (в точке N), образец имеет исходные размеры, однако ясно, что далеко не вся обратимая деформация является чисто упругой.

Механизм упругого последействия может быть связан с перемещением точечных дефектов, например, в металлах с о.ц.к.-решеткой – атомов примесей внедрения. Под действием напряжения происходит постепенное перераспределение примесных атомов – они стремятся занять междоузлия на ребрах вдоль оси нагружения, где они вызывают наименьшие искажения решетки. В результате решетка и весь образец остаточно удлиняются вдоль направления действия нагрузки. Это происходит не мгновенно.

Скорость упругого последействия, а также величина зависят от структуры материала и условий его испытания. Например, повышение температуры резко увеличивает скорость последействия (в цинке – на 50% при повышении температуры на 150).               

Рисунок 6 – Схема упругого последействия

Неупругие эффекты служат причинами внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри металла. Линии диаграммы напряжение – деформация при нагрузке и разгрузке из-за неполной упругости металлов не совпадают (рисунок 7), а образуют петлю гистерезиса. Ее площадь и характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения.

Знание величины внутреннего трения необходимо для грамотного выбора материала, работающего в определенных условиях. Например, демпфирующие материалы для амортизаторов должны обладать высоким внутренним трением. Наоборот, многие детали измерительных приборов не должны рассеивать упругую энергию, чтобы обеспечить малую инерционность и высокую точность измерений.

Для экспериментальной оценки величины внутреннего трения необходимо знать связь между напряжением и деформацией при нагружении и разгрузке (рисунок 7). На практике используют динамические методы  с периодическим изменением нагрузки, например, по синусоидальному закону. Такому измению нагрузки будет соответствовать и периодическое изменение деформации, но из-за явления неупругости деформации неизбежно будет отставать от напряжения по фазе на какой-то угол φ. Величина tgφ – одна из характеристик рассеяния энергии колебаний, т. е. внутреннего трения. Другую характеристику можно получить, оценив площадь петли. Эта площадь пропорциональна величине потерь ΔW энергии колебаний за один цикл. За меру внутреннего трения принимают величину ΔW/2πW, где W – полная энергия деформации.

Еще одна характеристика – логарифмический декремент затухания амплитуды колебаний γ. Он равен натуральному логарифму отношения предыдущего максимального отклонения колеблющегося образца к последующему.

tgφ≈γ/π≈ΔW/2πW=Q-1,

где Q-1 – широко используемое обозначение внутреннего трения.

 

          

Рисунок 7 – Образование петли гистерезиса в результате неупругих явлений

Из экспериментальных методов исследования внутреннего трения наиболее распространен метод крутильного маятника. В прямом крутильном маятнике образец в виде проволоки или ленты используется в качестве упругого подвеса, к нижнему концу которого крепится инерционная масса, снижающая частоту крутильных колебаний до 1 Гц. Это позволяет регистрировать колебания визуально, наблюдая за перемещением светового зайчика, отраженного от закрепленного на маятнике зеркала. Инерционная масса в прямом маятнике может вызвать заметные растягивающие напряжения в образце, что искажает результаты опытов. Тогда используют другую конструкцию – перевернутый крутильный маятник. Здесь нижний конец образца закрепляется неподвижно, а инерционная масса крепится к верхнему концу и поддерживается подвесом из материала с малым затуханием.

Экспериментальные установки для измерения внутреннего трения по схеме крутильного маятника – это сложные устройства. Блок-схема этих установок включает следующие основные элементы: 1) крутильный маятник; 2) систему механической коррекции; 3) демпфирующее устройство; 4) систему возбуждения и регистрации; 5) систему изменения момента инерции; 6) систему изменения и регулирования температуры; 7) вакуумную систему.

Рассмотренные константы упругих свойств и характеристики неупругости имеют важное значение, хотя бы потому, что в реальных условиях экплуатации большинство материалов в конструкциях работают в упругой области, не подвергаясь заметной пластической деформации. И все же большинство стандартных механических свойств характеризуют сопртивление пластической деформации или допустимую величину этой деформации. Упругие и неупругие свойства определяют в основном в металлофизических исследованиях, причем часто для того, чтобы разобраться в свойствах на стадии пластической деформации.

Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Жуковец Н.И. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа, 1986. – 312 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

          

Контрольные задания для СРС (темы 1, 2) [1], [2], [4], [12]

1. Приборы для определения упругих свойств. Принцип работы.

2. Упругие участки кривых напряжение – деформация.

3. Закон Гука для изотропных тел.

4. Внутреннее трение как метод исследования тонкой структуры металлов и сплавов.

5. Крутильный маятник.

6. Физический смысл логарифмического декремента затухания.

7. Механизм упругого последействия.

8. Резонансная установка для определения модуля нормальной упругости.

Раздел 4 Пластическая деформация

Тема 1 Механизмы пластической деформации (2 часа)

         План лекции

1. Пластическая деформация.

2. Механизмы пластической деформации.

3. Деформация скольжением.

4. Деформация двойникованием

5. Схема макроудлинения.

6. Влияние некоторых факторов на пластическую деформацию скольжением.

Механизмы пластической деформации.  

Роль дислокаций в механизме пластической деформации

Пластическая деформация является результатом необратимых коллективных смещений атомов. В кристаллах эти смещения происходят путем движения дислокаций, что является атомным механизмом пластической деформации. Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца путем либо скольжения, либо двойникования. Конечным итогом такого движения является сдвиг отдельных частей кристалла относительно друг друга или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига.

В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения. В элементарном виде механизм сдвига одной части кристалла относительно другой можно представить как результат пробега через него дислокации равной ширине кристалла (рисунок 8). Чем больше количество движущихся дислокаций и длиннее суммарный путь их перемещений, тем больше величина макропластической деформации.

 

                                                           

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

                   

                                                                      

а – краевая дислокация в кристалле; б – дислокация перемещена на одно межатомное расстояние в решетке; в – выход дислокации на поверхность и появление сдвига

Рисунок 8 – Схема сдвига верхней половины относительно нижней в результате пробега через него краевой дислокации

Величина относительного сдвига g равна:

g=ρ·l,

где ρ – плотность дислокаций;

      b – вектор Бюргерса;

      l – длина скольжения краевой дислокации.

         Вектор Бюргерса – мера искажений решетки, обусловленных присутствием дислокаций.

В реальных металлах и сплавах, как правило, еще до начала деформации имеется много дислокаций разных типов. Под действием приложенных напряжений начинают работать различные их источники, порождающие новые дислокации. Движущиеся дислокации выходят на поверхность образца, взаимодействуют внутри него друг с другом: вступают в реакции, тормозятся, аннигилируют, образуют сплетения. Пластическая деформация определяется структурой, составом материала и условиями его деформации. Пластическую деформацию экспериментально изучают двумя методами: 1) микроскопическим анализом полированной поверхности образцов, на которой в результате деформации появляются особые “линии” и “полосы скольжения” и 2) методом дифракционной электронной микроскопии тонких фольг, вырезанных из деформированных образцов.

Линии скольжения – это ступеньки, образующиеся на поверхности в результате выхода дислокаций. Когда, например, краевая дислокация выйдет на грань кристалла, то на поверхности этой грани образуется ступенька, равная по высоте h вектору Бюргерса дислокации. При этом длина ступени, т. е. линии скольжения, будет равна длине вышедшей на поверхность краевой дислокации (рисунок 9). Вышедшая одним концом на поверхность винтовая дислокация при своем движении также образует ступеньку, длина которой будет соответствовать длине пробега дислокации. Когда после скольжения в одной плоскости на поверхность выходит несколько дислокаций и высота ступеньки h достигает ~10 Å и более, их можно наблюдать  при электронном микроскопическом анализе реплик с предварительно отполированной поверхности деформированного образца. Реплика – тонкая, прозрачная для электронов пленка (например, угольная), наносимая на поверхность образца и очень точно копирующая ее рельеф. При просвечивании пучком электронов разные участки реплики, отличающиеся по толщине, дают разный контраст на изображении, благодаря чему можно наблюдать линии скольжения. После значительной деформации высота ступенек становится настолько большой, что их можно выявлять и под световым микроскопом.

Анализируя расположение линий скольжения, расстояние между ними, их высоту, можно составить не только качественное, но и количественное представление о величине пластической деформации. Зная кристаллографическую ориентировку анализируемой поверхности образца, по направлению линий скольжения определяют плоскости и направления скольжения. Перед деформацией с поверхности образца должна быть удалена окисная пленка, способная исказить картину распределения линий скольжения.

Метод дифракционной электронной микроскопии позволяет непосредственно наблюдать отдельные дислокации, определять их вектор Бюргерса и кристаллографию скольжения, оценивать характеристики дислокационной структуры на разных стадиях деформации.

Метод линий скольжения проще, особенно при использовании светового микроскопа. С его помощью изучают только структуру поверхности. С помощью этого метода было определено, что скольжение и сдвиги в кристаллах при низкотемпературной деформации идут вдоль определенных для каждого типа решетки кристаллографических плоскостей и направлений. Направление скольжения всегда лежит в своей плоскости скольжения. Их совокупность есть система скольжения. В металлах может действовать одна или несколько одновременно систем скольжения, однако все эти системы относятся обычно к одной – двум кристаллографическим ориентациям, характерным для каждого металла и определяемым типом его решетки.

Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с г.ц.к.- и о.ц.к.-решетками. В чистых г.ц.к.-металлах деформация двойникованием происходит только при отрицательных температурах и высоких скоростях деформации.

 

                                                                       

                                                                

Рисунок 9 – Образование ступенек при выходе на поверхность краевых

дислокаций

Схема макроудлинения образца при растяжении показана на рисунке 10. Видно, что при двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой вдоль определенной плоскости и направления двойникования. Плоскость двойникования – это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойникового образования относительно исходного кристалла.

 

Рисунок 10 – Схема пластической деформации двойникованием

При металлографическом исследовании в световом и электронном микроскопах каждый двойник деформации выявляется в виде двух параллельных полос (следов его пересечения с поверхностью излома, шлифа или фольги). Специфичным для двойников деформации является очень малая ширина полос, (особенно в о.ц.к. металлах – меньше 5 мкм) и характерные сужения на концах. В поликристалле двойники никогда не переходят их одного кристалла в другой. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут способствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь иную ориентацию. Граница двойника обладает относительно низкой энергией и высокой устойчивостью, сохраняясь даже после высокотемпературного отжига.

Вероятность образования двойников в том или ином металле с одним типом решетки тем больше, чем меньше энергия дефекта упаковки.

Напряжения, необходимые для роста двойников, чаще всего значительно выше требуемых для скольжения. Поэтому деформация только двойникованием наблюдается редко. Обычно она начинается путем скольжения, а затем, по достижению определенного уровня напряжений, если дальнейшее скольжение затруднено. Иногда наоборот, если кристалл неблагоприятно ориентирован для базисного скольжения, его деформация начинается с двойникования. При этом ориентировка плоскостей скольжения может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация скольжением.

Двойникование обычно не приводит к значительной остаточной деформации. Поэтому металлы, деформирующиеся только путем двойникования, малопластичны (например, висмут, сурьма).

Рассмотрим влияние некоторых факторов на картину пластической деформации скольжением. Увеличение энергии дефекта упаковки затрудняет расщепление дислокаций, уменьшает ширину полосы дефекта упаковки между частичными дислокациями. Это облегчает поперечное скольжение винтовых дислокаций. Чем больше энергия дефекта упаковки, тем раньше начнется интенсивное поперечное скольжение, дислокации легче обходят различные барьеры.

В результате пластическое течение осуществляется в основном в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения. Высокую энергию дефекта упаковки имеет Al (г.ц.к.-решетка) и многие металлы с о.ц.к.-решеткой. Низкую – с г.ц.к.-решеткой (Cu, Ag, Au) (таблица 3).

Таблица 3 – Величина энергии упаковки γ чистых металлов

Тип кристаллической решетки

Металл

γ, эрг/см2

1 эрг/см2=

=1 МДж/м2

Тип кристаллической решетки

Металл

γ, эрг/см2

1 эрг/см2=

=1 МДж/м2

Г. ц. к.

Ag

Au

Pb

Cu

Pt

Ni

Al

10…40

20…60

20…50

30…150

95…120

150…450

250

Г. п. у.

Zn

Mg

Re

30…150

170…250

180

О. ц. к.

V

Ta

α-Fe

Cr

Mo

W

100

110

140

>300

>300

>300

Помимо структуры металла (тип металла, ширина полосы дефекта, моно- или поликристалл) на картине пластической деформации сильно сказываются условия, в которых проводится деформация.

         Рекомендуемая литература

1. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

2. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

3. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов. – М.: Машиностроение, 1990. – 296 с.

4. Хоникомб Р. Пластическая деформация металлов. М.: Мир, 1972. – 408 с.

5. Шарая О.А., Куликов В.Ю., Шарый В.И. Учебное пособие по курсу Механические свойства материалов», КарГТУ, 2004.

Контрольные задания для СРС (тема 1) [1], [2], [9]

1. Низкотемпературная пластическая деформация металлов скольжением.

2. Метод линий скольжения.

3. Метод дифракционной электронной микроскопии.

4. Стадии скольжения в монокристалле.

5. Влияние энергии дефекта упаковки на пластическую деформацию металлов скольжением.

6. Влияние схемы напряженного состояния на пластическую деформацию металлов скольжением.

7. Влияние температуры испытания на пластическую деформацию металлов скольжением.

8. Влияние скорости деформации на пластическую деформацию металлов скольжением.

9. Пластическая деформация металлов двойникованием.

10. Пластическая деформация твердых растворов и двухфазных сплавов.

Прочность, упругость, пластичность, усталость - Энциклопедия по машиностроению XXL

ПРОЧНОСТЬ, УПРУГОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ, УСТАЛОСТЬ  [c.17]

К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость).  [c.94]

В результате механических испытаний материалов определяют следующие характеристики упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.  [c.29]

Таким образом, если требуемая долговечность больше 10 циклов, следует выбрать твердый материал, и если требуемая долговечность менее 10 циклов, то пластичный материал. В том случае, когда спектр нагружения сложен, следует избрать оптимальный вариант, т. е. использовать упругий материал. Следует отметить, что все рассмотренные материалы при амплитуде полной деформации 0,01, соответствующей долговечности около 10 циклов, примерно одинаково сопротивляются усталости. На рис. 11.9 изображены данные, характеризующие соотношения между пределом прочности и пластичностью разрушения для некоторых современных материалов.  [c.385]


К основным механическим свойствам металлов относят прочность, твердость, упругость, пластичность, ударную вязкость. Прочность — способность металла сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. Большое значение име т удельная прочность, ее находят отношением предела прочности к плотности металла. Для стали прочность выше, чем для алюминия, а удельная прочность ниже. Твердость — это способность металла сопротивляться поверхностной деформации под действием более твердого тела. Упругость — способность металла возвращаться к первоначальной форме после прекращения действия сил. Пластичность — свойство металла изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Ударная вязкость — способность металла сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Кроме указанных механических свойств можно назвать усталость (выносливость), ползучесть и др. Для установления характеристик механических свойств производят их испытания.  [c.30]

Ввиду того что процессы накопления повреждений при малоцикловой усталости не одинаковы в области относительно больших (Л8 = 3,.. 4%) и малых (Д8 = 0,3. .. 0,6%) уровней нагрузки, о чеж свидетельствует различный характер разрушения материала, дисперсия значений долговечности не одинакова, и возрастает с уменьшением размаха деформаций. В области больших значений 8р разрушение определяется в основном статической прочностью, ресурсом пластичности тела отдельных зерен и детали.в целом. В области малых размахов деформации, когда основную часть размаха составляет упругая деформация, основное значение имеют процессы, свойственные механической усталости. Поэтому и рассеяние-долговечности. возрастает при уменьшении значений А .  [c.183]

Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.  [c.82]

В первом томе изложены необходимые сведения из теории упругости, пластичности и ползучести, рассмотрены вопросы термоупругости и термопластичности. Специальная глава посвящена теории упруговязких тел, представляющей интерес для расчета на прочность стеклопластиков и других полимерных материалов. В этом же томе приведены основы теории усталости и надежности механических систем, даны нужные сведения из теории стержней, пластинок и оболочек.  [c.9]


Результаты и методы теории упругости не всегда достаточны для оценки прочности конструкций и для разрешения многих важных практических вопросов. На практике часто требуется уметь учитывать механические и тепловые свойства твердых тел, связанные с нелинейной упругостью, электродинамическими эффектами и с термодинамической необратимостью процессов деформирования, требуется рассматривать пластичность, ползучесть и релаксацию, усталость и т. д. Для учета и описания подобных явлений необходимо вводить другие теоретические модели сплошных сред.  [c.410]

Известно, что процесс упрочнения связан с пластической деформацией, в результате которой происходит повышение характеристик прочности (предела прочности, предела текучести и предела упругости) и снижение характеристик пластичности. Разупрочнение же связано с образованием и развитием трещины усталости [2, 3, 4].  [c.34]

Для оценки неизотермической малоцикловой прочности при различных сочетаниях режимов нагрева и нагружения необходимы информация о кинетике параметров процесса циклического упруго-пластического деформирования в опасной зоне конструктивного элемента, об изменении полной (или необратимой) деформации, о накопленной деформации с числом циклов нагружения, а также кривая малоцикловой усталости, соответствующая режиму нагру-л ения и нагрева. Кривые малоцикловой усталости следует получать при длительном изотермическом и неизотермическом малоцикловом жестком нагружении с учетом температур (рис. 3.1, а), частоты (времени) деформирования (рис. 3.1, б), а также цикличности температуры (рис. 3.2). В случае режимов, обладающих максимальным повреждающим эффектом, кривые I, II (рис. 3.2) жесткого режима деформирования смещаются в область меньшего числа циклов до разрушения (появления трещины). Кроме того, требуется информация о располагаемой пластичности материала при монотонном растяжении (рис. 3.3, режимы а, б) с учетом скорости  [c.125]

Постоянные Ь и a f/E представляют собой наклон и ординату точки (соответствующей первой смене знака) прямой, описывающей в логарифмических координатах зависимость амплитуды упругой деформации от числа смен знаков до разрушения, а постоянные с и e f — наклон и ординату точки (соответствующей первой смене знака) прямой, описывающей в логарифмических координатах зависимость амплитуды пластической деформации от долговечности (см. рис. 8.23). Хотя эти постоянные лучше всего определять по результатам циклических испытаний, при отсутствии данных по усталости их можно приближенно оценить по характеристикам материала, определенным в статических условиях. Это можно сделать, принимая величину Of равной истинному пределу прочности а , равной пластичности разрушения е , с=—0,6 и Ь=—0,16 lg(2a/au). Однако в тех случаях, когда есть возможность, следует использовать характеристики усталостной прочности материала.  [c.286]

В монографии приведены характеристики упругости, прочности, пластичности, трещино-стойкости, малоцикловой и многоцикловой усталости сплавов криогенной техники в широком интервале низких температур (до 4,2 К). Показано, что с использованием низкотемпературного упрочнения, реализуемого при охлаждении в конструкционных сплавах, можно  [c.255]

Главное, что будет излагаться в этой книге, по существу, состоит из трех основных частей 1) основные понятия о перемещениях, внутренних напряжениях, деформациях и работе внутренних сил, а также о процессе нагружения малого элемента твердого тела 2) основные механические свойства твердых тел, такие, как упругость и идеальная пластичность, текучесть, ползучесть и релаксация, вязкость и динамическое сопротивление, усталость и разрушение 3) основные кинематические и геометрические гипотезы, упрощающие математическую постановку задач о напряжениях, деформациях, перемещениях и разрушениях твердых тел при различных внешних воздействиях, а также основные уравнения и методы решения задач о деформации и прочности тел. Методы сопротивления материалов отличаются от более строгих методов теории упругости и пластичности в основном введением ряда упрощающих предположений кинематического и геометрического характера и, тем не менее, в большинстве случаев оказываются достаточно точными.  [c.12]


Подробное изложение всего содержания этой новой науки уже сейчас составило бы несколько объемистых томов, посвященных в отдельности вопросам пластичности и прочности, усталости, ползучести, ударным характеристикам, твердости, несовершенствам упругих свойств и т. п., и такие монографии уже  [c.5]

Механические свойства — упругость, прочность, пластичность, вязкость, сопротивление усталости и ползучести, чувствительность к надрезу и др. являются в большинстве случаев основными для суждения о целесообразности применения того или иного металла. Знание механических свойств важно как для конструкторов, так и для технологов. Изложению этих вопросов было посвящено первое издание книги, вышедшее в 1946 г.  [c.8]

Сталь, используемая для изготовления пружин, должна обеспечивать линейную зависимость между деформацией и нагрузкой, т. е. иметь высокий предел упругости. При превышении упругой деформации (например, при навивке пружин) сталь должна обладать определенным запасом пластичности. Если пружина работает при изменяющихся нагрузках, то ее материал должен хорошо сопротивляться усталости. Пружины, работающие при высокой температуре, должны быть стойкими против релаксации напряжений и обладать достаточно высокой длительной прочностью.  [c.143]

При охлаждении материалов на -изменение таких важных характеристик, как пределы прочности, усталости, показатели упругости и пластичности, температурный порог хрупкости, ударная вязкость, дополнительно могут влиять концентрация напряжений, дефекты механической обработки, сварки и коррозионное воздействие рабочей среды.  [c.13]

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ — способность металлов сопротивляться деформированию (изменению формы) и разрушению под действием внешних механических сил. К М. с. относятся упругость, прочность, пластичность, вязкость (см. Вязкость материала), сопротивление усталости и ползучести, чувствительность к надрезу и др. М. с. м. являются в большинство случаев основным показателем для определения возможности применения того или другого материала в конструкции.  [c.79]

Механические свойства металлов и других материалов — это параметры, которые характеризуют их поведение под действием механических усилий, способность сопротивляться деформирующему и разрушающему воздействию внешних сил. Они во многом определяются понятиями прочность, пластичность, упругость и жесткость, твердость, ударная вязкость, выносливость (сопротивление усталости), сопротивление истиранию, сопротивление ползучести и т. д.  [c.13]

С позиций современной теории процесс усталости металлов и их сплавов при действии циклических напряжений заключается в накоплении искажений кристаллической решетки до критической величины (сопроволсдается повышением микротвердости и предела текучести при снижении модуля упругости), разрыхлении после достижения критической плотности дислокации (сопровождается ослаблением сопротивления пластической деформации, нарушением сплошности и снижением микротвердости), развитии микротрещин до критического размера (происходит снижение критериев прочности и пластичности) и самопроизвольном распространении микротрещин критического размера, приводящем к окончательному разрушению детали [19, 27, 39, 65 и 67].  [c.44]

Вследствие непрерывного возрастания требований к быстроходности, экономичности, долговечности, надежности и к снижению веса машин в расчетах на прочность должны учитываться не только различные режимы работы и динамические нагрузки, но п технологические, а также эксплуатационные факторы. В расчетах на прочность деталей машин и конструкций все шире используют результаты, полученные в теории стерятеории упругости, пластичности и выносливости (усталости). Все это часто приводит к тому, что в процессе разработки машины конструктор не имеет возможности провести обоснованные расчеты на прочность, и такие расчеты после выпуска чертежей выполняют инженеры-расчетчики.  [c.3]

РЕБИНДЕРА ЭФФЕКТ — физико-хи-мич. влияние среды па механич. св-ва материалов, не связанное с коррозией, растворением и др. химич. процессами, Р. э. проявляется в понижении прочности и облегчении упругой и пластич. деформации под влиянием адсорбции (поглощения молекул из окружающей среды поверхностями, развивающимися в деформируемом теле). Р. э. проявляется у металлич. моно-и поликристаллов, полупроводников, ионных кристаллов, бетонов, стекол, горных пород и т. д. Величина Р. э. зависит от темп-ры, величины напряжения, способа нагружения, состава и структуры материала и резко зависит от времени нагружения. Наиболее сильно Р. э. проявляется в тех случаях, когда за время деформации, предшествующей разрушению, вновь возникающие поверхности успевают покрыться адсорбционными слоями. Это имеет место в процессах ползучести при длит, статич. нагружении, в процессах усталости. При переходе от моно- к поликристаллич. металлам Р. э. значительно ослабляется, т. к. облегчение деформации сосредоточивается в поверхностных слоях и не распространяется в глубь тела. Наибольшее понижение поверхностной энергии материалов (почти до нуля) вызывают расплавленные среды, близкие по мол. природе к деформируемому телу напр., если более тугоплавкие металлы и сплавы при нагружении находятся в среде жидких более легкоплавких металлов (в частности, наличие ртутной пленки на монокристаллах цинка уменьшает прочность и пластичность в десятки раз). Р. э. часто вреден для конструкционных материалов, т. к. понижает их прочность и пластичность. Для облегчения обрабатываемости резанием и для ускорения и улучшения ирирабатываемости при трении Р. э. полезен. Защита поверхности деталей от  [c.112]


Обе испытанные аустенитные стали, несмотря на различие характеристик прочности и пластичности, имеют приблизительно одинаковое нарастание пеупругой деформации при увеличении напряжения от циклического предела упругости до предела выносливости и приблизительно равные значения неупругой деформации на пределе выносливости. Пределы усталости этих сталей также близки по величине. Из рис. 123 видно, что предел выносливости стали 30Х10Г10 находится значительно выше, чем циклический предел упругости, что характерно для пластичных аустенитных сталей.  [c.166]

ПРОВЕДЕНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ. Определение характеристик прочности, пластичности, упругости, малоцикловой усталости и трещиностойкости материалов при различных видах нагружения в газовых средах (включая водород) и криожидкостях температура испытаний 4- 1200 К.  [c.512]

По-видимому, роль покрытия при больших и малых уровнях нагружения аналогична действию наклепа, что отмечено еще в одной из первых работ Коффина [88]. При испытании на термическую усталость стали 347 на уровне Ае 0,6% йен а клепанный материал имел большую долговечность, а при уменьшении нагрузки положение изменилось на обратное. Это явление можно объяснить следующим образом. Ресурс пластичности у ненакле-панного материала больше, чем у наклепанного, и при Ае> >0,6%, когда в каждом цикле возникает пластическая деформация, это обстоятельство является решающим. При меньших значениях Де деформирование происходит в упругой области, где долговечность определяется в большей мере характеристиками прочности, а они. выше у наклепанного материала.  [c.93]

Упруго-пластическая деформация поверхностного слоя в процессе механической обработки вызывает изменение структурночувствительных физико-механических и химических свойств в металле поверхностного слоя по сравнению с исходным его состоянием. В деформированном поверхностном слое возрастают все характеристики сопротивления деформированию пределы упругости, текучести, прочности, усталости. Изменяются характеристики прочности при длительном статическом и циклическом нагружении в условиях высоких температур. Снижаются характеристики пластичности относительное удлинение и сужение, повышается хрупкость (уменьшается ударная вязкость), твердость, внутреннее трение, уменьшается плотность. Металл в результате пластической деформации упрочняется.  [c.50]

Следует подчеркнуть, что к области малоцикловой усталости отнесены разрушения при числе нагружений до 5-10 — Ю циклов. Это соответствует нижней по числу циклов границе, от которой традиционно начинаются испытания в области многоцикловой усталости. диапазоне чисел циклов до 5-10 — 10 пластичные материалы средней прочности, какими являются широко распро- страненные конструкционные стали и сплавы, деформируются в ус- ловиях циклического нагружения за пределами упругости при на-i личии петли упругопластического гистерезиса.  [c.5]

После отпуска закаленной бронзы при 300—350°С в течение 2—3 час, значительно повышается предел прочности (ов = 120—150 кГ1мм 1200—1500 Mh m ), но одновременно снижается пластичность (6=2—4%). После закалки и старения при температуре 300°С твердость становится равной НВ 400. Бериллиевая бронза имеет высокий предел упругости и значительный предел усталости, большую твердость и износоустойчивость. Недостаток бериллиевой бронзы — высокая стоимость.  [c.185]

После отпуска закаленной бронзы при 300—350° в течение 2—3 ч сильно повышается предел прочности (Ов=120- - 150 кГ1мм ), но одновременно снижается пластичность (б = = 2- 4%). После закалки и старения при 300° твердость становится НВ 400. Бериллиевая бронза имеет высокий предел упругости и значительный предел усталости, большую твердость и износоустойчивость. Недостаток бериллиевой бронзы — высокая стоимость. Согласно ГОСТ 493—54, бронзы Бр.Б2 применяют для изготовления пружин, деталей, работающих на износ, и др. бронзы Бр.А5 — для лент, полос, для монетного производства Бр.АЖ9-4, Бр.АЖН 10-4-4 — для шестерен, втулок, седел клапанов, выхлопных клапанов Бр.СЗО — для вкладышей подшипников Бр.КМцЗ-1 — для пружин, арматуры и деталей в химическом машиностроении и судостроении.  [c.185]

Усталость — свойство пластичных металлов подвергаться хрупкому разрушению под действием многократных нагружений. Несмотря на хрупкий характер разрушения усталость не связана с сопротивлением отрыву (хрупкой прочностью). Усталость не связана также с пределом упругости, как напряжением, не вызывающим пластической деформации. У многих металлов сопротивление усталости меньше предела упругости, определенного при очень малом допуске (0,001%), зато у других металлов величина предела усталости (вьшослнвостп) превышает не только предел упругости (пропорциональности), но и предел текучести данного металла. По современным представлениям усталость представляет процесс избирательного разрушения металлов, вызываемый наложением многочисленных знакопеременных деформаций, и возникает как результата избирательной сдвиговой деформации.  [c.123]

В условиях сложного напряженного состояния реализуется множество различных сочетаний компонентов напряжения, которые могут изменяться по величине, знаку, частоте. Поэтому задача о расчете на прочность становится весьма сложной и в общей постановке до сих пор не решена [703, 1025, 1036]. Известные теории усталостного разрушения предложены применительно к отдельным, наиболее простым случаям циклического нагружения. При этом для установления условий разрушения обычно используют статические теории прочности. Возможность такого использования имеет два оиоснования. Во-первых, соотношение пределов вьшосливости при растяжении — сжатии и кручении изменяется для разных классов материалов примерно в том же интервале, что и соотношение между пределами текучести (или пределами прочности) при тех же способах нагружения, которое прогнозируют классические теории прочности 703]. Во-вторых, процесс усталости связан с возникновением и развитием локальных микропластиче-ских деформаций, а классические теории пластичности как раз и прогнозируют условие перехода материала из состояния упругости в пластическое состояние [3971.  [c.276]


Основные свойства металлов - Металлы


Основные свойства металлов

Категория:

Металлы



Основные свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

К химическим — окнсляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Дадим краткие определения механическим свойствам.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

Вязкостью называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.

Пластичностью называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить доброкачественность готовых изделий.

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности.

Детали машин, механизмов и сооружений работают под нагрузками. Нагрузки на детали бывают различных видов: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных температурах, при действии коррозии и т. п.; такие детали работают ,3 сложных условиях.

В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний металлов, с помощью которых определяют механические свойства.

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающей весьма быстро,

Кроме того, в ряде случаев, производятся испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию,—это достаточная прочность.

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью.

Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными. Удельная прочность (отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых сплавов выше, чем для мягкой стали.

Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (например, свинец) применяются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров, и т. п.

Металлы с высокой электропроводностью используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением— для ламп накаливания электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, электродвигатели, трансформаторы), в электроприборостроении (телефонные и телеграфные аппараты) и т. д.

Теплопроводность металлов дает возможность производить их равномерный нагрев для обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп и пр. Расширение металлов должно приниматься во внимание при постройке длинных сооружений, например мостов. Нужно также учитывать, что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окисленных средах (колосниковые решетки, детали машин химической промышленности). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные стали, а также применяют защитные покрытия для изделий.

Технологические свойства. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций.

Все материалы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические.

К физическим свойствам металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет,.электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.

Из химических свойств металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость.

Очень важную роль в определении пригодности металла как материала для деталей машин и механизмов играют его механические свойства.

Механические свойства: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, не разрушаясь и не изменяя допустимой формы.

Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы.

Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты.

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по своей сущности противоположно упругости.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин.

К технологическим свойствам металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке.

Для определения свойств металлов и сплавов пользуются:
а) механическими испытаниями, которыми устанавливают их прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость;
б) физическими измерениями удельного веса, температуры плавления, тепла и электропроводности;
в) химическим анализом, который определяет качественный и количественный состав сплава;
г) металлографическим- анализом, позволяющим получить данные о структуре и свойствах металла с помощью микроскопа и рентгеновского аппарата;
д) технологическими пробами, дающими возможность определить пригодность металла для данного вида обработки.


Реклама:

Читать далее:
Испытания на растяжение

Статьи по теме:

Эластичность

| Определение, примеры и факты

Эластичность , способность деформированного материального тела возвращаться к своей первоначальной форме и размеру, когда силы, вызывающие деформацию, устранены. Говорят, что тело с этой способностью ведет себя (или реагирует) эластично.

Подробнее по этой теме

Механика твердого тела: Уравнения движения линейно-упругих тел.

… чисто механическая теория линейной упругости (то есть, когда связь с температурным полем не учитывается, либо когда либо изотермический, либо ...

В большей или меньшей степени большинство твердых материалов демонстрируют упругие свойства, но существует предел величины силы и сопутствующей деформации, в пределах которой упругое восстановление возможно для любого данного материала. Этот предел, называемый пределом упругости, представляет собой максимальное напряжение или силу на единицу площади в твердом материале, которые могут возникнуть до начала остаточной деформации.Напряжения, превышающие предел упругости, вызывают текучесть или растекание материала. Для таких материалов предел упругости отмечает конец упругого поведения и начало пластического поведения. Для большинства хрупких материалов напряжения, превышающие предел упругости, приводят к разрушению практически без пластической деформации.

Предел упругости существенно зависит от типа рассматриваемого твердого тела; например, стальной стержень или проволока может быть упруго растянута только примерно на 1 процент от своей первоначальной длины, в то время как для полос из определенных резиноподобных материалов может быть достигнуто упругое удлинение до 1000 процентов.Однако сталь намного прочнее резины, потому что сила растяжения, необходимая для достижения максимального упругого удлинения резины, меньше (примерно в 0,01 раза), чем сила, требуемая для стали. Упругие свойства многих твердых тел при растяжении находятся между этими двумя крайностями.

Различные макроскопические упругие свойства стали и резины являются результатом их очень разных микроскопических структур. Эластичность стали и других металлов возникает из-за короткодействующих межатомных сил, которые, когда материал не подвергается напряжению, поддерживают регулярные структуры атомов.Под напряжением атомная связь может быть нарушена при достаточно малых деформациях. Напротив, на микроскопическом уровне резиноподобные материалы и другие полимеры состоят из длинноцепочечных молекул, которые раскручиваются при растяжении материала и отскакивают при упругом восстановлении. Математическая теория упругости и ее приложение к инженерной механике связано с макроскопическим откликом материала, а не с лежащим в основе механизмом, который его вызывает.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

В простом испытании на растяжение упругий отклик таких материалов, как сталь и кость, характеризуется линейной зависимостью между растягивающим напряжением (растягивающее усилие на единицу площади поперечного сечения материала), σ и растяжением. соотношение (разница между увеличенной и начальной длиной, деленная на начальную длину), e . Другими словами, σ пропорционально e; это выражается как σ = Ee , где E, константа пропорциональности, называется модулем Юнга.Стоимость E зависит от материала; соотношение его значений для стали и резины составляет около 100000. Уравнение σ = Ee известно как закон Гука и является примером конститутивного закона. Он выражает в терминах макроскопических величин кое-что о природе (или составе) материала. Закон Гука в основном применяется к одномерным деформациям, но его можно распространить на более общие (трехмерные) деформации путем введения линейно связанных напряжений и деформаций (обобщения σ и e ), которые учитывают сдвиг, скручивание. , и изменение громкости.Полученный в результате обобщенный закон Гука, на котором основана линейная теория упругости, дает хорошее описание упругих свойств всех материалов при условии, что деформации соответствуют удлинениям, не превышающим примерно 5 процентов. Эта теория обычно применяется при анализе инженерных сооружений и сейсмических возмущений.

Закон Гука

Закон Гука, F = k x , где приложенная сила F равна постоянной k , умноженной на смещение или изменение длины x .

Encyclopædia Britannica, Inc.

Предел упругости в принципе отличается от предела пропорциональности, который отмечает конец того вида упругого поведения, которое может быть описано законом Гука, а именно того, в котором напряжение пропорционально деформация (относительная деформация) или, что то же самое, при которой нагрузка пропорциональна смещению. Предел упругости почти совпадает с пределом пропорциональности для некоторых эластичных материалов, поэтому иногда эти два значения не различаются; тогда как для других материалов между ними существует область непропорциональной эластичности.

Линейная теория упругости не подходит для описания больших деформаций, которые могут возникнуть в резине или в мягких тканях человека, таких как кожа. Упругая реакция этих материалов нелинейна, за исключением очень малых деформаций, и для простого растяжения может быть представлена ​​определяющим законом σ = f ( e ), где f ( e ) - математическая функция e , которая зависит от материала и которая приближается к Ee , когда e очень мало.Термин «нелинейный» означает, что график σ , построенный против e , не является прямой линией, в отличие от ситуации в линейной теории. Энергия W ( e ), запасенная в материале под действием напряжения σ , представляет собой площадь под графиком σ = f ( e ). Он доступен для передачи в другие формы энергии - например, в кинетическую энергию снаряда из катапульты.

Функция накопленной энергии W ( e ) может быть определена путем сравнения теоретической зависимости между σ и e с результатами экспериментальных испытаний на растяжение, в которых измеряются σ и e . Таким образом, упругий отклик любого твердого тела при растяжении можно охарактеризовать с помощью функции запасенной энергии. Важным аспектом теории упругости является построение конкретных форм функции деформации-энергии по результатам экспериментов с трехмерными деформациями, обобщающих одномерную ситуацию, описанную выше.

Функции деформации и энергии можно использовать для прогнозирования поведения материала в условиях, когда прямой экспериментальный тест нецелесообразен. В частности, их можно использовать при проектировании элементов инженерных сооружений. Например, резина используется в опорах мостов и опорах двигателя, где ее упругие свойства важны для поглощения вибраций. Стальные балки, пластины и оболочки используются во многих конструкциях; их упругая гибкость способствует выдержке больших нагрузок без материального ущерба или поломки.Эластичность кожи - важный фактор успешной трансплантации кожи. В математических рамках теории упругости решаются задачи, связанные с такими приложениями. Результаты, предсказанные математикой, критически зависят от свойств материала, включенных в функцию деформации-энергии, и можно смоделировать широкий спектр интересных явлений.

Газы и жидкости также обладают упругими свойствами, поскольку их объем изменяется под действием давления.Для небольших изменений объема объемный модуль, κ , газа, жидкости или твердого тела определяется уравнением P = - κ ( V - V 0 ) / V 0 , где P - давление, уменьшающее объем V 0 фиксированной массы материала до V . Поскольку газы, как правило, легче сжимать, чем жидкости или твердые тела, значение κ для газа намного меньше, чем для жидкости или твердого тела.В отличие от твердых тел, жидкости не могут выдерживать касательные напряжения и имеют нулевой модуль Юнга. См. Также деформацию и текучесть.

Модуль упругости Юнга для металлов и сплавов

Эластичность материала удобно выражать с помощью отношения напряжения к деформации, параметра, также называемого модулем упругости при растяжении или модулем Юнга материала - обычно с помощью символа - Е .

  • Модуль Юнга можно использовать для прогнозирования удлинения или сжатия объекта.

Модуль упругости для некоторых распространенных металлов при различных температурах в соответствии с ASME B31.1-1995:

  • 1 фунт / дюйм (фунт / дюйм 2 ) = 1 фунт / дюйм (фунт / дюйм 2 ) = 144 psf (фунт на / фут 2 ) = 6 894,8 Па (Н / м 2 ) = 6,895x10 -3 Н / мм 2
  • T ( o C) = 5 / 9 [T ( o F) - 32]

Для полного стола с более высокими температурами - поверните экран!

-129 907 9028 9 9028 9 9029 9029 9028 Никель 9028 9029 стали Cr-2 9029 9029 9029 9029 21,0 стали Cr 2 1/4% - 3% 9029 9029 9029 9029 2 C500, C500, 13,7 Алкоголь и никель N04400)
Модуль упругости Юнга - E - (10 6 фунтов на кв. Дюйм)
Металл Температура ( o C) -73 21 93 149 204 260 316 371 427 482 538 593 9018 о F)
-325 -200 -100 70 200 300 400 500 600

700

1100 1200
Чугун
Серый чугун 13 .4 13,2 12,9 12,6 12,2 11,7 11,0 10,2
Сталь 9029 Углеродистая сталь 9018 30,2 29,5 28,8 28,3 27,7 27,3 26,7 25,5 24,2 22,4 20.4 18,0
Углеродистая сталь C => 0,3% 31,2 30,6 30,0 29,3 28,6 28,1 27,5 9029 9029 9029 9029 9029 9028 22,2 20,2 17,9 15,4
Углерод-молибденовые стали 31,1 30,5 29,9 29,2 28.5 28,0 27,4 27,0 26,4 25,3 23,9 22,2 20,1 17,8 15,3
28,5 27,8 27,1 26,7 26,1 25,7 25,2 24,6 23,0
Cr / 2 стали6 31,0 30,4 29,7 29,0 28,5 27,9 27,5 26,9 26,3 25,5 24,8 32,6 32,0 31,4 30,6 29,8 29,4 28,8 28,3 27,7 27.1 26,3 25,6 24,6 23,7 22,5
Cr-Mo стали Cr 5% - 9% 32,9 32,3 31,7 29,0 28,6 28,0 27,3 26,1 24,7 22,7 20,4 18,2
Хромистые стали Cr 12%, 17%, 27% 30,7 30,1 29,2 28,5 27,9 27,3 26,7 26,1 25,6 24,7 23,2
TP304, 310, 316, 321, 347) 30,3 29,7 29,1 28,3 27,6 27,0 26,5 25,8 25.3 24,8 24,1 23,5 22,8 22,1 21,2
Медь и медные сплавы
Комп. и этилированной Sn-бронзы (C83600, C

)

14,8 14,6 14,4 14,0 13,7 13,4 13,2 12,9 12,5 N латунь Si & Al бронза (C46400, C65500, C95200, C95400) 15.9 15,6 15,4 15,0 14,6 14,4 14,1 13,8 13,4 12,8 16,0 15,6 15,4 15,0 14,7 14,2
Медно-красная латунь Al12200 C200, бронза 12 (C10200) ) 18.0 17,7 17,5 17,0 16,6 16,3 16,0 15,6 15,1 14,5
27,8 27,3 26,8 26,0 25,4 25,0 24,7 24,3 24,1 23.7 23,1 22,6 22,1 21,7 21,2
Титан
Нелегированный титан марок 1, 2, 3 и 7 14,0 13,3 12,6 11,9 11,2
Алюминий и алюминиевые сплавы
Сплавы 443, 1060, 1100, 3002921 10,8 10,5 10,0 9,6 9,2 8,7
    9015i 1 фунт / дюйм 2 (Па)
  • T ( o C) = 5/9 [T ( o F) - 32]

Примечание! Вы можете использовать конвертер единиц давления для переключения между единицами модуля упругости.

Эластичность - Гипертекст по физике

Обсуждение

основы

Эластичность - это свойство твердых материалов возвращаться к своей первоначальной форме и размеру после устранения деформирующих их сил.Вспомните закон Гука - впервые официально сформулированный Робертом Гуком в Истинная теория упругости или упругости (1676)…

uttensio, sic vis

, что буквально можно перевести как…

Как расширение, так и сила.

или официально переведен на…

Вытягивание прямо пропорционально силе.

Скорее всего, мы заменим слово «расширение» символом (∆ x ), «сила» - символом ( F ), а «прямо пропорционально» - знаком равенства (=) и константа пропорциональности ( k ), тогда, чтобы показать, что упругий объект пытается вернуться в исходное состояние, мы добавили бы знак минус (-).Другими словами, мы бы записали уравнение…

F = - k x

Это закон Гука для пружины - простого объекта, который по сути одномерный. Закон Гука можно обобщить до…

Напряжение пропорционально деформации.

, где деформация относится к изменению некоторого пространственного измерения (длины, угла или объема) по сравнению с его исходным значением, а напряжение относится к причине изменения (сила, приложенная к поверхности).

Коэффициент, который связывает конкретный тип напряжения с возникающей деформацией, называется модулем упругости (множественное число, модули). Модули упругости - это свойства материалов, а не объектов. Есть три основных типа напряжения и три связанных модуля.

Модули упругости
модуль
(символы)
напряжение
(обозначение)
штамм
(условное обозначение)
конфигурация
изменение
Янг
( E или Y )
перпендикулярно
противоположным граням (σ)
длина
ε = ∆ℓ / ℓ 0
длиннее и тоньше
или короче и толще
ножницы
( G или S )
по касательной к
противоположным граням (τ)
касательная
γ = ∆ x / y
прямоугольника превращаются в
параллелограмма
навалом
( K или B )
нормально ко всем сторонам,
давление ( P )
объем
θ = ∆ V / V 0
объем изменяется
, но форма не изменяется

Международные стандартные символы для модулей получены из соответствующих неанглийских слов - E для élasticité (французское слово «эластичность»), G для glissement (французский язык для скольжения) и K для компрессии. (нем. Сжатие).Некоторые американские учебники решили порвать с традициями и использовать первую букву каждого модуля на английском языке - Y для Юнга, S для сдвига и B для пухлости.

Напряжения в твердых телах всегда описываются как сила, деленная на площадь. Направление сил может измениться, а единицы - нет. Единица измерения напряжения в системе СИ - ньютон на квадратный метр , которому присвоено специальное название паскаль в честь Блеза Паскаля (1623–1662), французского математика (треугольник Паскаля), физика (принцип Паскаля), изобретателя (принцип Паскаля). калькулятор) и философ (пари Паскаля).



Па = N

м 2

Штаммы всегда безразмерные.

Штаммы
вид штамма наименование символа определение шт.
линейный эпсилон ε = ∆ℓ / ℓ 0 м / м = 1
ножницы гамма γ = ∆ x / y м / м = 1
объем тета θ = ∆ В / В 0 м 3 / м 3 = 1

Это означает, что паскаль также является единицей СИ для всех трех модулей.

напряжение = модуль × штамм
[ Па = Па × 1 ]

отказ - вариант

  • предел упругости, предел текучести
  • предел прочности, предел прочности
  • Прочность материала - это мера его способности выдерживать нагрузку без разрушения.
  • Banerjee, et al. показывают, что когда иглы монокристаллического алмаза в наномасштабе упруго деформируются, они выходят из строя при максимальной локальной прочности на разрыв от ~ 89 до 98 ГПа.
  • Экспериментальные результаты и расчеты ab initio показывают, что модуль упругости углеродных нанотрубок и графена приблизительно равен 1 ТПа.
  • Напротив, заявленная прочность на разрыв объемного кубического алмаза составляет <10 ГПа

Модуль Юнга

Представьте себе кусок теста.Растяните это. Он становится длиннее и тоньше. Раздавите это. Он становится короче и толще. А теперь представьте кусок гранита. Проведите тот же мысленный эксперимент. Изменение формы обязательно должно произойти, но невооруженным глазом незаметно. Некоторые материалы довольно легко растягиваются и сжимаются. Некоторые этого не делают.

Величина, которая описывает реакцию материала на напряжения, приложенные перпендикулярно противоположным граням, называется модулем Юнга в честь английского ученого Томаса Янга (1773–1829). Янг был первым, кто определил работу как продукт замещения силы, первым использовал слово энергия в его современном смысле и первым показал, что свет - это волна.Он не был первым, кто количественно оценил сопротивление материалов растяжению и сжатию, но он стал самым известным ранним сторонником модуля, который теперь носит его имя. Янг не назвал модуль в честь себя. Он назвал это модулем упругости . Символ модуля Юнга обычно E от французского слова élasticité (эластичность), но некоторые предпочитают Y в честь ученого.

Модуль Юнга

определяется для всех форм и размеров по одному и тому же правилу, но для удобства представим, что стержень длиной ℓ 0 и площадью поперечного сечения A растягивается силой F до новой длины ℓ 0 + ∆ℓ.

Растягивающее напряжение - это внешняя нормальная сила на площадь (σ = F / A ), а деформация растяжения - частичное увеличение длины стержня (ε = ∆ℓ / ℓ 0 ). Константа пропорциональности, которая связывает эти две величины вместе, представляет собой отношение растягивающего напряжения к растягивающей деформации - модуль Юнга .

То же соотношение справедливо и для сил в противоположном направлении; то есть напряжение, которое пытается сократить объект.

Заменить прилагательное «растяжение» на «сжатие». Нормальная сила на площадь, направленная внутрь (σ = F / A ), называется напряжением сжатия , а частичное уменьшение длины (ε = ∆ℓ / ℓ 0 ) называется деформацией сжатия . Таким образом, модуль Юнга составляет как отношение напряжения сжатия к деформации сжатия. Прилагательное могло быть изменено, но математическое описание - нет.

Единицы измерения модуля Юнга в системе СИ: паскаль [Па]…



N = Па м

А м

, но для большинства материалов более подходит гигапаскаль [ГПа].

1 ГПа = 10 9 Па

Коэффициент Пуассона

Растяжение и сжатие - противоположные типы линейной деформации. Продлить - значит стать длиннее. Сокращение означает стать короче. Когда материал растягивается или сжимается под действием линейного напряжения в одном направлении (называемом осью x ), обратная деформация обычно имеет место в перпендикулярных направлениях (оси y и z ). Направление линейного напряжения называется осевым направлением .Все направления, которые перпендикулярны этому, называются поперечными направлениями .

Осевое разгибание обычно сопровождается поперечным сокращением. Растягивание теста делает его тоньше и длиннее. Так делают китайскую лапшу, вытянутую вручную (拉面, la mian ). Точно так же осевое сокращение обычно сопровождается поперечным растяжением. Если кусок теста расплющить, он станет шире, длиннее и тоньше. Так делают итальянскую свежую пасту ( pasta fresca ).

Отношение поперечной деформации к осевой деформации известно как коэффициент Пуассона (ν) в честь его изобретателя, французского математика и физика Симеона Пуассона (1781–1840). Отрицательный знак необходим, чтобы показать, что изменения обычно противоположного типа (+ растяжение против - сужение). Если придерживаться традиции, согласно которой x - это осевое направление, а y и z - поперечные направления, то коэффициент Пуассона можно записать как…

ν = - y / y 0 = - z / z 0
x / x 0 x / x 0

Символ, который, к сожалению, похож на латинскую букву v (vee), на самом деле является греческой буквой ν (nu), которая связана с латинской буквой n (en).

v ν n
Латинское «vee»
скорость
Греческое "nu"
Коэффициент Пуассона
Латинское "en"
число

Типичные значения коэффициента Пуассона находятся в диапазоне от 0,0 до 0,5. Пробка является примером материала с низким коэффициентом Пуассона (почти нулевым). Когда в винную бутылку вставляют пробку, она становится короче, но не толще.(Есть некоторая осевая деформация, но практически отсутствует поперечная.) С другой стороны, резина имеет высокий коэффициент Пуассона (почти 0,5). Когда резиновую пробку вставляют в колбу с химическим веществом, она становится короче на определенную величину и шире почти вдвое. (Осевая деформация сопровождается большой поперечной деформацией.) Пробки можно толкать в бутылки с помощью молотка. Забить резиновую пробку в стеклянную колбу молотком, скорее всего, закончится катастрофой.

Удивительно, но отрицательные коэффициенты Пуассона также возможны.Такие материалы называются ауксетическими . Они увеличиваются в поперечном направлении при растяжении и уменьшаются при сжатии. Большинство ауксетичных материалов представляют собой полимеры с мятой пенистой структурой. Вытягивание пены вызывает разворачивание складок и расширение всей сети в поперечном направлении.

Одноосные свойства выбранных материалов (ГПа)
материал модуль Юнга
на сжатие
прочность
растяжение
прочность
алюминий 70 0.040
морковь, свежая 0,00136 0,000504
морковь, хранится 1 неделя 0,00103 0,000507
бетон 17 0,021 0,0021
бетон высокопрочный 30 0.040
медь 130 0,22
кость компактная 18 0,17 0,12
кость губчатая 76 0,0022
латунь 110 0,25
алмаз 1100
стекло 50–90 0.050
гранит 52 0,145 0,0048
золото 74
утюг 210
мрамор 0,015
зефир 0.000029
никель 170
нейлон 2–4 0,075
дуб 11 0,059 0,12
пластик, ♳ ПЭТ 2,0–2,7 0,055
пластик, ♴ HDPE 0.80 0,015
пластик, ♵ ПВХ
пластик, ♶ LDPE
пластик, ♷ PP 1,5–2,0 0,040
пластик, ♸ PS 3,0–3,5 0,040
плутоний 97
фарфор 0.55 0,0055
кремний 110
карбид кремния 450
сталь, нержавеющая 0,86
сталь конструкционная 200 0,40 0,83
сталь высокопрочная 0.76
резина 0,01–0,10 0,0021
банка 47
титан 120
вольфрам 410
карбид вольфрама 500
уран 170

модуль сдвига

Сила, прикладываемая по касательной (или поперек, или сбоку) к поверхности объекта, называется напряжением сдвига.Возникающая в результате деформация называется деформацией сдвига. Приложение напряжения сдвига к одной грани прямоугольной коробки сдвигает эту сторону в направлении, параллельном противоположной грани, и изменяет прилегающие грани с прямоугольников на параллелограммы.

Коэффициент, который связывает напряжение сдвига (τ = F / A ) к деформации сдвига (γ = ∆ x / y ), называется модулем сдвига , модулем жесткости , или Кулоновский модуль .Обычно он представлен символом G от французского слова glissement (скользящий), хотя некоторые предпочитают использовать вместо этого S от английского слова shear.

Жидкости (жидкости, газы и плазма) не могут сопротивляться напряжению сдвига. Они скорее текут, чем деформируются. Величина, которая описывает, как текучие среды текут в ответ на напряжения сдвига, называется вязкостью и рассматривается в другом месте этой книги.

Невозможность сдвига также означает, что жидкости непрозрачны для поперечных волн, таких как вторичные волны землетрясения (также известные как поперечные волны или s-волны ).Жидкое внешнее ядро ​​Земли было обнаружено с помощью тени, отбрасываемой ею на сети сейсмометров. Типы волн обсуждаются в других разделах этой книги.

Жидкости могут противостоять нормальному стрессу. Это означает, что жидкости и газы прозрачны для первичных волн землетрясения (также известных как волны давления или p-волны ). Твердое внутреннее ядро ​​Земли было обнаружено в сигналах p-волны, которые прошли весь путь от одной стороны Земли через жидкое внешнее ядро ​​к другой стороне.Также слышны зубцы P. Вы можете услышать их, когда они передаются в воздух.

Сопротивление материала нормальному напряжению описывается модулем объемного сжатия, который является следующей темой в этом разделе.

Сдвиговые свойства выбранных материалов (ГПа)
материал сдвиг
модуль
сдвиг
прочность
алюминий
бетон
бетон высокопрочный
медь
кость компактная
кость губчатая
латунь
алмаз
стекло
гранит
золото
утюг
мрамор
зефир
никель
нейлон
дуб
пластик, ♳ ПЭТ
пластик, ♴ HDPE
пластик, ♵ ПВХ
пластик, ♶ LDPE
пластик, ♷ PP
пластик, ♸ PS
плутоний
фарфор
кремний
карбид кремния
сталь, нержавеющая
сталь конструкционная
сталь высокопрочная
резина
банка
титан
вольфрам
карбид вольфрама
уран

модуль объемной упругости

Сила, приложенная равномерно к поверхности объекта, будет равномерно сжимать его.Это изменяет объем объекта без изменения его формы.

Напряжение в этом случае просто описывается как давление ( P = F / A ). Результирующая объемная деформация измеряется по частичному изменению объема (θ = ∆ V / V 0 ). Коэффициент, который связывает напряжение с деформацией при равномерном сжатии, известен как модуль объемной упругости или модуль сжатия .Его традиционный символ - K от немецкого слова kompression (сжатие), но некоторым нравится использовать B от английского слова bulk, которое является другим словом для обозначения объема.

Модуль объемной упругости - это свойство материалов в любой фазе, но чаще обсуждают модуль объемной упругости для твердых тел, чем для других материалов. У газов есть объемный модуль, который изменяется в зависимости от начального давления, что делает его более важным для термодинамики, в частности, для газовых законов.

Обратный модуль объемного сжатия называется сжимаемостью .Его символ обычно β (бета), но некоторые люди предпочитают κ (каппа). Материал с высокой сжимаемостью испытывает большое изменение объема при приложении давления.

Единицей сжимаемости в системе СИ является обратный паскаль [Па -1 ].

Сталь
Объемные свойства выбранных материалов (ГПа)
материал объемный
модуль
материал объемный
модуль
алюминий пластик, ♳ ПЭТ
морковь, свежая пластик, ♴ HDPE
морковь, хранится 1 неделя пластик, ♵ ПВХ
бетон пластик, ♶ ПВД
бетон высокопрочный пластик, ♷ ПП
медь пластик, ♸ PS
кость компактная плутоний
кость губчатая фарфор
латунь кремний
алмаз карбид кремния
стекло сталь, нержавеющая
гранит сталь конструкционная
золото , высокопрочная
утюг резина
мрамор банка
зефир титан
никель вольфрам
нейлон карбид вольфрама
дуб уран

масштабирование

  • без гигантских животных
  • площадь поверхности пропорциональна длине 2
  • масса и объем пропорциональны длине 3
  • BMR пропорционален массе 3/4
  • напряжение пропорционально длине (закон Гука)
  • давление пропорционально длине 2 (растяжение желудка, мочевого пузыря)

поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение для выбранных жидкостей T ~ 300 K, если не указано иное
материал поверхностное натяжение (мН / м)
спирт этиловый (зерновой) 22.3
спирт изопропиловый (15 ° C) 21,8
спирт метиловый (древесный) 22,6
галлий (30 ° C) 500
молоко сырое 1-2
молоко гомогенизированное 3–4
вода чистая 72,8
вода мыльная 25–45

Капиллярность

  • Средний диаметр капилляров составляет около 20 мкм, хотя некоторые из них имеют диаметр всего 5 мкм.На 1 кг мышцы приходится около 190 км капилляров, площадь поверхности капилляров на 1 кг мышцы составляет около 12 м 2 .

Модуль упругости: сталь, бетон и алюминий - стенограмма видео и урока

Пример модуля упругости

Две нагрузки одинаковой величины и направления прикладываются к двум балкам одного и того же поперечного сечения. Одна балка - стальная, другая - алюминиевая. Две балки имеют длину 10 футов. Поскольку обе балки испытывают одинаковую величину напряжения, получаем:

Замена сигмы дает нам:

А поскольку балки имеют разный модуль упругости, значения деформаций должны быть разными.

Поскольку напряжение равно силе, деленной на площадь сечения:

Сигма = F / A

Деформация равна разнице между разницей в длине и исходной длиной:

Эпсилон = дельта / л

Используя эти формулы, мы можем переписать формулу Sigma = E * Epsilon следующим образом:

Когда мы помещаем значения сигма и эпсилон в уравнение, мы получаем:

Пример железобетона

Например, в железобетоне при приложении нагрузки к секции стальные стержни деформируются в той же степени, что и бетон.Но поскольку оба материала имеют разный модуль упругости, стальные стержни несут большее напряжение, чем бетон. Это одна из причин, почему в строительстве бетон армируют стальными стержнями. Поскольку бетон очень слаб при растяжении, арматурные стальные стержни несут большую часть растягивающего напряжения.

Пример

В железобетонной балке размером 12 дюймов на 6 дюймов прямоугольное поперечное сечение подвергается общему осевому напряжению, равному 50 тысяч фунтов на квадратный дюйм. Имеется четыре стальных арматурных стержня общей площадью 1 дюйм2.(Помните, что модуль упругости стали составляет 29 x 106 фунтов на квадратный дюйм, а модуль упругости бетона составляет 4,35 x 106 фунтов на квадратный дюйм. Мы можем оставить их в фунтах на квадратный дюйм, поскольку единицы будут взаимно компенсироваться.)

Какая часть напряжения переносится за стальными прутьями?

Когда мы решаем эпсилон в нашей исходной зависимости между напряжением и деформацией и подставляем, мы получаем:

Общее напряжение равно напряжению в стали плюс напряжение в бетоне, которое записывается как:

Нам известно общее напряжение, поэтому мы помещаем его в уравнение и решаем напряжение в бетоне.

Теперь мы можем поместить это в наше уравнение:

Затем нам дается модуль упругости бетона и стали, поэтому мы помещаем их в уравнение:

Перекрестное умножение:

У нас есть ответ (в тысячах фунтов на квадратный дюйм):

Резюме урока

Модуль упругости - это свойство материала, которое представляет собой отношение напряжения к деформации.Чем больше модуль упругости, тем большее напряжение необходимо для его удлинения. Помните, отношение записывается следующим образом:

В этом уравнении:

Сигма = напряжение, вызванное внешней силой, которая измеряется в Н / м2 или Па для системы СИ и фунтах на квадратный дюйм для английской системы.

E = модуль упругости материала, который также измеряется в Н / м2 или Па для системы СИ и psi для английской системы.

Эпсилон = деформация, вызванная напряжением, и измеряется не в единицах, а в степени изменения или дельте.

Кроме того, напряжение = F / A.

Значение модуля упругости каждого материала уникально, что означает, что для сжатия или растяжения разных материалов с одинаковой площадью поперечного сечения, но изготовленных из разных материалов, потребуются разные силы.

Важность этого свойства заключается в том, что в усиленном конструктивном элементе один материал подвергается большему напряжению, чем другой из-за разницы в их модулях упругости.Например, модуль упругости стали составляет около 200 ГПа или 29 000 000 фунтов на квадратный дюйм, а модуль упругости бетона составляет около 30 ГПа или 4 350 000 фунтов на квадратный дюйм. Модуль упругости алюминия составляет 69 ГПа или 10 000 000 фунтов на квадратный дюйм.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

классической механики - Уточнение фактического определения упругости. Действительно ли сталь эластичнее резины?

И ОП, и Джон Ренни хорошо проиллюстрировали недостатки в использовании слова «эластичный» в физике и то, как это слово может создавать путаницу между «жесткостью» и способностью материала выдерживать деформации.

Но важно отметить, что одна важная область, в которой можно услышать расплывчатое утверждение о том, что «сталь более эластична, чем резина», находится в контексте ньютоновских проблем столкновения. Итак, здесь имеется в виду, что стальные объекты обычно подвергаются более упругим, , т.е. кинетической энергии, столкновениям, чем резиновые.

Ньютоновские проблемы столкновения возникают очень рано и занимают видное место в курсах физики бакалавриата, так что это может создать (вероятно, ошибочное) впечатление, что физики, как правило, имеют в виду жесткость, а не способность переносить деформацию под словом «упругий».Действительно, области, в которых физики, в отличие от специалистов-материаловедов, в основном используют слово «упругие», - это те области, где это слово относится к столкновениям и взаимодействиям, и в этих контекстах слово означает «сохранение общей кинетической энергии всех сталкивающихся тел». или «не преобразование энергии». Упругие оптические взаимодействия, такие как рэлеевское рассеяние или отражения Френеля, - это те, при которых падающий и рассеянный свет имеют одинаковую длину волны, следовательно, энергию фотона, и никакая энергия не рассеивается или не передается в рассеиватель.Точно так же со всеми специальностями физики элементарных частиц.


Интересный комментарий пользователя Jasper:

Другими словами, кривая напряжения-деформации резины имеет больший гистерезис (как часть максимальной энергии деформации в петле), когда деформация изменяется от отрицательной к положительной и обратно.

Интуитивно понятно, что это, вероятно, часть причины, может быть, основная причина в некоторых материалах, но есть каучуки, потери которых объясняются другими механизмами, согласно некоторым поверхностным исследованиям, которые я проводил в каучуках в последние недели для подшипников в адаптивной оптике. система, над которой я работал.Я, конечно, не эксперт, но все распространенные модели - это модели линейных дифференциальных уравнений, в которых потери происходят из-за демпфирующих членов. Найдите модель Кельвина Фойгта, модель Максвелла-Вихерта и стандартизированную линейную модель. Производители синтетического каучука часто определяют характеристики потерь своих изделий с помощью тангенса угла потерь и комплексных модулей Юнга (которые показывают фазовую задержку для возбуждения синусоидальной силой). Механизмы, отличные от гистерезиса, которые могут привести к появлению тангенса угла потерь, включают вязкое сопротивление между соседними молекулами; это может быть просто линейное демпфирование вида $ - \ mu \, \ dot {x} $, где $ x $ измеряет деформацию, а $ \ mu $ - член вязкого сопротивления.Для ясности: под «гистерезисом» я подразумеваю нелинейную, мгновенную двузначность кривой зависимости деформации от напряжения, где, какая из двух функциональных ветвей проходит, определяется направлением изменения. Каждый цикл вокруг петли $ B \, vs. \, H $ в ферромагнитном материале или вокруг петли $ \ sigma \, vs. \, \ Epsilon $ в деформируемом материале передает энергию, пропорциональную площади петли, материалу. Это отличается от вязкого сопротивления.

Модуль Юнга (модуль упругости, модуль упругости)

В статье об испытаниях на растяжение дается краткое описание модуля Юнга (также называемого модулем упругости или модулем упругости).Время от времени возникает вопрос о том, можно ли изменить эту характеристику материала, обычно потому, что дизайнеры хотят большей жесткости в конкретной конструкции. Следовательно, предлагается обсуждение модуля Юнга.

Когда металл подвергается нагрузке при испытании на растяжение, существует начальный диапазон нагружения, в котором не происходит остаточной деформации образца, т. Е. Если нагрузка снимается при любом значении в пределах этого диапазона, образец полностью возвращается в исходное состояние. оригинальные размеры.Это известно как эластичный диапазон. Данные, полученные в результате испытания на растяжение, обычно строят в виде кривой зависимости деформации от напряжения. В упругом диапазоне нагрузки возникающая деформация прямо пропорциональна приложенному напряжению. Закон пропорциональности между напряжением и деформацией в диапазоне упругости известен как закон Гука. Модуль Юнга - это соотношение между прилагаемым напряжением (растягивающим или сжимающим) и возникающей в результате упругой деформацией, то есть это наклон упругой части кривой напряжения-деформации и выражается в единицах напряжения (фунт / кв. Дюйм).Чем выше модуль, тем большее напряжение необходимо для создания той же величины деформации, т.е. чем выше модуль, тем выше жесткость или жесткость материала. Поскольку модуль Юнга вместе с толщиной необходим для расчета прогиба балок и других элементов, это важное расчетное значение.

Модуль Юнга определяется силами связи между атомами. Поскольку эти силы не могут быть изменены без изменения основной природы материала, отсюда следует, что модуль Юнга является одним из самых нечувствительных к структуре механических свойств.На него лишь незначительно влияют легирующие добавки, термообработка, холодная обработка или, в случае стали, относительно экзотические микроструктуры, такие как двухфазная. Модуль Юнга ферритных сталей при растяжении близок к 30 000 000 фунтов на квадратный дюйм при комнатной температуре. Модуль Юнга аустенитных нержавеющих сталей при растяжении составляет около 28 000 000 фунтов на квадратный дюйм при комнатной температуре. Внутри каждого класса материалов есть очень небольшие различия. Повышение температуры снижает модуль Юнга. Оно линейно уменьшается до примерно 1000 o F, в зависимости от класса материала, а затем начинает быстро падать.

Поскольку зависимость между напряжением и деформацией многих материалов не соответствует закону Гука во всем диапазоне упругости, существует несколько методов определения модуля Юнга как прямой зависимости с использованием аппроксимации, такой как начальный касательный модуль, касательный модуль при любом напряжение, секущий модуль между началом и любым напряжением, а также хордовый модуль между любыми двумя напряжениями. Для методов испытаний существует стандарт ASTM.

Хотя модуль Юнга является характеристикой кривой "напряжение-деформация", его точное определение с использованием статических методов (отклонение при увеличении нагрузки при испытании на растяжение) требует учета множества переменных, включая точность и прецизионность устройства, используемого для измерения напряжения и напряжения. деформация, характеристики испытуемого образца (такие как ориентация зерен относительно направления напряжения, размер зерна, остаточное напряжение, предыдущая история деформации, размеры и эксцентриситет), условия испытаний (такие как выравнивание образца, скорость испытания, температура, и изменения температуры) и интерпретация данных испытаний.Следование стандарту ASTM обеспечивает гораздо более точные результаты, чем снятие числа с обычной кривой напряжения-деформации. Однако более точные методы являются динамическими по своей природе и основаны на индуцированной механической вибрации или ультразвуковых импульсах, при которых определяется и анализируется режим и период колебаний металлического образца.