MYsopromat.ru: Пластичные и хрупкие материалы

По результатам испытаний на одноосное растяжение материалы принято делить на пластичные и хрупкие. К пластичным относятся материалы, разрушению которых предшествуют большие остаточные деформации, достигающие иногда 20. ..25%. Хрупкими называют материалы, разрушающиеся при малых остаточных деформациях, не превышающих 2…5%. Характерными представителями пластичных материалов являются малоуглеродистая сталь и алюминий, а хрупких — чугун, инструментальная сталь и стекло. Пластичные и хрупкие материалы отличаются еще и характером разрушения при растяжении. Пластичные материалы проявляют большее сопротивление отрыву частиц, чем сдвигу их друг относительно друга, (и разрушаются главным образом, от сдвига частиц в плоскостях действия наибольших касательных напряжений. Именно вследствие сдвига частиц увеличивается длина образца из пластичного материала при его растяжении, а место разрушения в шейке имеет вид кратера, стенки которого наклонены к оси образца под углом 45° (Рис. 4.8). Дном этого кратера является поверхность первоначальной внутренней трещины, возникающей после образования шейки. Хрупкие материалы, наоборот, обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву, и разрушаются при растяжении внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения (Рис. 4.9). Явления текучести, упрочнения и образования шейки на образцах из таких материалов перед разрывом не наблюдаются. Единственной прочностной характеристикой хрупких материалов является предел прочности σв. Диаграмма растяжения хрупких материалов представлена на Рис. 4.10. Рис. 4.8 Рис. 4.9 Рис. 4.10 Деление материалов на хрупкие и пластичные является условным, так как свойства материалов зависят от температуры, скорости и вида нагружения. Один и тот же материал в одних условиях ведет себя как хрупкий, в других — как пластичный. Например, мрамор при одноосном растяжении разрушается как хрупкий материал, а при всестороннем сжатии проявляет пластические свойства. Поэтому правильнее говорить о пластичном и хрупком характере разрушения материала. Первое происходит при больших, а второе при сравнительно малых остаточных деформациях.   Пластичные и хрупкие материалы   Версия для печати

© MYsopromat.ru, 2003-2006

1.2. Пластические и хрупкие материалы

Материалы принято делить на пластичные и хрупкие. К пластичным относят материалы, разрушениям которых предшествуют большие остаточные деформации, достигающие иногда 5%. Хрупкими называют материалы, разрушающиеся при малых остаточных деформациях не превышающих 5%. Характерными представителями пластичных материалов являются малоуглеродистая сталь и алюминий, а хрупких — чугун, инструментальная сталь и стекло.

Пластичные и хрупкие материалы отличаются еще и характером разрушения при растяжении. Пластичные материалы проявляют большее сопротивление отрыву частиц, чем сдвигу их относительно друга, и разрушаются главным образом, от сдвига частиц в плоскостях действия наибольших касательных напряжений. Именно вследствие сдвига частиц увеличивается длина образца из пластического материала при его растяжении, а место разрушения в шейке имеет вид кратера, стенки которого наклонены к оси образца под углом 45. Дном этого кратера является поверхность первоначальной внутренней трещины, возникающей после образования шейки (рис. 4.3а).

Хрупкие материалы, наоборот обладают большим сопротивлением сдвигу, чем отрыву и разрушаются при растяжении внезапно от отрыва частиц материала по плоскости поперечного сечения (рис. 4.3б). Единственной прочностной характеристикой хрупких материалов является предел прочности _В.

При сжатии образца из пластического материала, как и при растяжении, сначала имеет место линейная зависимость  от , затем площадка текучести и зона упрочнения. Но в отличие от растяжения площадка текучести едва намечается, и в дальнейшем нагрузка все время возрастает. Возрастание происходит потому, что при сжатии образец из пластического материала не разрушается, а постепенно сплющивается в тонкий диск при одновременном увеличении площади сечения. Предел текучести материала при сжатии по абсолютной величине практически равен пределу текучести при растяжении.

Иные свойства при сжатии проявляют хрупкие материалы. Образцы из таких материалов при сжатии разрушаются внезапно, раскалываясь по наклонным (под углом 45) плоскостях (рис. 4.3г). Большинство материалов лучше сопротивляются сжатию, чем растяжению. Так, например, для чугуна предел прочности при сжатии выше, чем предел прочности при растяжении примерно в 2,5-4,5 раз.

Если разгрузить образец, растянутый до напряжений, не превышающих предел упругости _у, то линия разгрузки совпадает с линией нагрузки ОА (рис. 4.5). При повторном нагружении диаграмма растяжения полностью совпадает с первоначальной диаграммой растяжения. Многократные нагружения до напряжения меньше предела пропорциональности не приводят к изменению механических свойств материала.

Рисунок 4.5

Иная картина наблюдается при нагружении до напряжений превышающих предел упругости _у. Разгрузка пойдет по кривой БО₁. Повторное нагружение происходит по кривой О₁Б до точки Б, из которой произведена разгрузка. Обе линии (разгрузки и нагрузки) близки к прямой параллельной линейному участку диаграммы. Линии разгрузки и нагрузки образуют замкнутую петлю- петлю гистерезиса. Площадь петли гистерезиса соответствует потерям механической энергии за один цикл. После полного цикла образец возвращается к первоначальному состоянию. При дальнейшем нагружении (после точки Б) кривая деформирования продолжается, как будто не было промежуточного цикла. Следовательно, после промежуточной разгрузки появился как бы новый материал с более высоким пределом пропорциональности

_пц, но с меньшей пластичностью. Явление повышения упругих свойств материала в результате предварительного пластического деформирования наклепом или нагартовкой. Наклеп возникает при вытяжке, холодной прокатке металла, в процессе штамповки. Часто наклеп играет положительную роль для упрочнения поверхностного слоя детали, повышения упругих свойств проволоки, канатов.

Как было отмечено выше, цикл нагружения растяжением за пределом упругости приводит к возрастанию предела упругости при растяжении. Экспериментально установлено, что одновременно с возрастанием предела упругости при растяжении понижается предел упругости при сжатию.

Это явление было изучено Баушингером и носит название эффект Баушингера.

Примеры хрупких материалов — стекло, керамика и специальные сплавы

Хрупкие материалы ломаются с небольшим удлинением или без него до разрушения. В этой статье вы получите примеры хрупких материалов, узнаете о типе разрушения и определите, как уменьшить нежелательное хрупкое разрушение.

Примеры хрупких материалов

К материалам, которые обычно считаются хрупкими, относятся стекло, керамика и специально разработанные сплавы. Удлинение обеспечивает общее измерение пластичности. Материалы с 5% или менее удлинением до разрыва обычно считаются хрупкими.

Предоставлено Материалами

Стекло

Стекло, полупрозрачное твердое вещество, находит множество применений в нашей повседневной жизни. Этот новый материал создается путем плавления природного и распространенного сырья, такого как песок, кальцинированная сода и известняк, при чрезвычайно высоких температурах.

Предоставлено: The Magic Of Words

При высоких температурах стекло по своей структуре похоже на жидкость. Однако при температуре окружающей среды он ведет себя как твердое вещество. В результате стекло можно разливать, выдувать, прессовать и формовать во множество форм.

Стекло является примером хрупкого материала из-за его аморфной структуры. Не существует способа снять напряжение в стекле, поскольку нет плоскостей атомов, которые могли бы скользить друг мимо друга. В результате избыточное давление вызывает образование трещины в месте дефекта поверхности.

Прочность на растяжение стекла обычно составляет около 7 мегапаскалей (1000 фунтов на квадратный дюйм). С другой стороны, теоретическая верхняя граница его мощности на несколько порядков выше (17 гигапаскалей) (2 500 000 фунтов на квадратный дюйм).

Керамика

Другим примером хрупкого материала является керамика. Керамика представляет собой сложное, хрупкое, термостойкое и устойчивое к коррозии вещество, созданное путем формования и обжига неорганического неметаллического материала, такого как глина, при высокой температуре. Фаянс, фарфор и кирпич являются обычными примерами.

Предоставлено: Chapman Blogs – Chapman University

Как керамика становится хрупкой? В керамических материалах отсутствуют механизмы скольжения, которые могут их деформировать, поскольку они представляют собой поликристаллические структуры ионных или ковалентных связей. В процессе подготовки на поверхности материала неизбежно остаются микродефекты, приводящие к трещинам.

Керамика затрудняет скольжение атомов друг относительно друга. Это связано с тем, что в керамике преобладает ионная связь, что приводит к чередованию положительных и отрицательных ионов. Если ряд атомов пытается выскользнуть за пределы следующего ряда атомов, положительные ионы будут притягиваться к положительным ионам, а отрицательные ионы будут притягиваться к отрицательным. С точки зрения бесплатной энергии это обычно запредельно дорого. Вместо того, чтобы напряжение в трещине ослаблялось скольжением, трещина продолжает расширяться, в конечном итоге разрушаясь.

Хрупкие материалы, такие как керамика, имеют тенденцию к очень низкому удлинению, поскольку они не деформируются пластически.

Специальные сплавы

Специальные сплавы считаются таковыми, поскольку они созданы для конкретных целей. Обычно они обладают очень высокой прочностью и коррозионной стойкостью и сохраняют эти характеристики даже при повышенных температурах.

Предоставлено Nadeep Metal Craft

Все сплавы, изготовленные из слабых металлов, являются хрупкими; те, которые сделаны из ковких металлов, в некоторых случаях пластичны. Когда пропорции почти равны, хрупких сплавов столько же, сколько гибких; но когда один из металлов находится в избытке, они чаще всего пластичны. При соединении пластичных и хрупких металлов соединения становятся хрупкими, если доля слабого металла превышает или почти равна доле пластичного. Но когда ковкий металл значительно превосходит хрупкий, сплавы обычно пластичны.

Возьмем, например, хрупкий материал, железо. Он твердый, но в то же время хрупкий и быстро ржавеет во влажной среде.

Тип разрушения

В зависимости от пластичности материала изломы классифицируются как вязкие или хрупкие. Степень пластической деформации, которую может выдержать материал, также влияет на характер разрушения. Излом классифицируется как податливый, если во время или до распространения трещины происходит значительная пластическая деформация.

Если на микроуровне происходит только деформация, разрушение называется хрупким. Пластическая деформация свидетельствует о начале разрушения. Однако трудно определить разницу между хрупким и пластичным изломом. Это связано с тем, что несколько факторов влияют на деформацию материала. Уровень напряжения, скорость нагрузки, температура окружающей среды и кристаллическая структура материала — все это факторы, которые необходимо учитывать.

Уменьшение нежелательного хрупкого излома

Предоставлено The Sand Trap

Хрупкий излом может быть запланированным и желаемым свойством. Например, безопасное стекло при ударе разбивается на тысячи осколков. Этот хрупкий излом снижает вероятность внедрения фрагмента в человека.

Но во многих случаях хрупкое разрушение нежелательно. Например, известно, что у клюшек для гольфа возникают трещины на лицевой стороне и ломаются стержни, особенно при низких температурах.

Как во время обслуживания, так и во время испытаний очень важно, чтобы материалы работали при температуре перехода из пластичного состояния в хрупкое (DBTT) или выше, чтобы ограничить опасность хрупкого разрушения. Точно так же принятие мер по выявлению и локализации дефектов, которые могут ослабить материал во время эксплуатации или во время испытаний под давлением, уменьшит риск хрупкого разрушения во время ремонта.

Разница между пластичным и хрупким материалом

Каждый конструкционный материал при эксплуатации подвергается внешней нагрузке различного характера (непрерывной, повторяющейся или переменной нагрузке). В некоторых применениях (например, при прокатке или гибке металла) предполагается, что деталь должна максимально удлиниться перед разрушением; в то время как в других применениях (например, при торможении камнями) предполагается, что материал должен разрушаться с незначительной деформацией при внешней нагрузке. По способности удлиняться под действием внешней нагрузки твердые материалы можно разделить на две категории – пластичные и хрупкие.

При приложении внешней растягивающей нагрузки к материалу сначала происходит упругая деформация, а затем начинается пластическая деформация. Упругая деформация является восстанавливаемой, а пластическая деформация является постоянной. Способность материала проявлять пластическую деформацию перед разрушением является признаком пластичности. Материалы, демонстрирующие значительную пластическую деформацию при внешней нагрузке, называются пластичными; в то время как хрупкие материалы демонстрируют пренебрежимо малую пластическую деформацию. Сходства и различия между пластичным и хрупким материалом представлены ниже.

• Оба связаны с пластической деформацией материала при растягивающей нагрузке.
• Пластичность или хрупкость сильно зависят от температуры. Например, хрупкий материал может вести себя как пластичный при повышенной температуре. Точно так же пластичный материал при комнатной температуре при замораживании может автоматически превратиться в хрупкий материал.
• Пластичность или хрупкость материала также зависят от встроенного уровня напряжения. При наличии высокого остаточного напряжения пластичный материал может разрушиться без ощутимого пластического удлинения.

Пластичный материал	Хрупкий материал
Твердые материалы, которые могут подвергаться значительной пластической деформации до разрушения, называются пластичными материалами.	Твердые материалы, демонстрирующие незначительную пластическую деформацию, называются хрупкими материалами.
Процентное удлинение пластичных материалов до разрушения при испытаниях на растяжение выше.	Процентное удлинение хрупких материалов до разрушения при испытании на растяжение очень мало.
Пластичные материалы разрушаются постепенно путем образования шейки под действием внешней растягивающей нагрузки. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт 2019 © Все права защищены.