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.

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.

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

    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). 

    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. 

    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). 

    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]

    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 c_ij. 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 c_ij. 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 с_ij 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 dс_ij/с_ijdT обычно составляет  [1], т.е. –(2-5) % на 100°C.

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

В зависимости от поведения с_ij 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

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 dc_ij/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 c_ij (рис. 1, б).

Рис. 1 – Упругие постоянные c_ij 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” c_S, 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 M_S 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 Т_с расположена выше М_s, 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 с_L = 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 Ti₅₀Ni_50-хFe_х, 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].

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=δ_Б 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·b·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

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

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]

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]

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]

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]

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

Категория:

Металлы

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:

Статьи по теме:

| 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.

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.