MYsopromat.ru: Пластичные и хрупкие материалы
|
|
|
..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.
© MYsopromat.ru, 2003-2006
14. Пластичные и хрупкие материалы, диаграммы их растяжения-сжатия.
Пластичность – способность материала получать
большие остаточные деформации без
разрушения. В качестве мер пластичности
используют относительное остаточное
удлинение образца после разрыва δ =
(l1—l)*l,
где l1 – длина
рабочей части образца после разрушения; l – длина рабочей части образца.
Условно
материал считается пластичным, если δ
> = 5 %, и хрупким, если δ < 5 %.
Хрупкость – способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций.
Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным. В зависимости от напряженного состояния, скорости деформирования, температуры и других условий пластичность меняется. Материал, показавший себя хрупким при растяжении при обычной температуре, может вести себя при других условиях как пластичный, и наоборот. При изготовлении конкретных деталей широко пользуются термообработкой, которая позволяет изменять свойства материалов в нужном направлении. Так, например, закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства.
15. Твердость материалов и способы ее определения.
Испытание
образцов на растяжение и сжатие дает
объективную оценку свойств материалов.
В производстве же для проведения
оперативного контроля этот метод
испытаний весьма сложен.
Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Для определения твердости металлов существует несколько способов. Наиболее широкое применение получили пробы по Бринеллю (HB) и Роквеллу (HR). В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик, во втором – алмазный конус. По обмеру полученного отпечатка определяют твердость материала. Эти методы относятся к неразрушающим методам контроля. С помощью переводных таблиц можно приближенно по показателям твердости определить предел прочности материала.
Твердость по Бринеллю определяют вдавливанием в испытываемый материал шарика из закаленной стали диаметром 10 мм при силе 30 кН. Число HB равно отношению силы, вдавливающей шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.
Для сталей связь между числом твердости HB и пределом прочности выражается приблизительно так: σв = 0,36*HB
17.
Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.Растяжение-сжатие – вид нагружения, при котором в поперечных сечениях стержня возникает только один внутренний силовой фактор – продольная сила N. Продольная сила считается положительной, если она вызывает растяжение (направлена от сечения), и отрицательной, если она вызывает сжатие (направлена к сечению).
Нормальные напряжения в поперечных сечениях стержня, достаточно удаленных от мест приложения нагрузок, вычисляются по формуле σ = N/A. Таким образом, нормальное напряжение в поперечном сечении стержня при растяжении равно поделенной на площадь сечения продольной силе в этом же сечении.
При осевом
растяжении или сжатии стержня условие
прочности имеет вид: σmax = Nmax/A <= [σ], где
σmax и Nmax – нормальное напряжение и продольная
сила в опасном поперечном сечении; [σ]
– допускаемое напряжение.
Предельное напряжение – напряжение, при котором образец из данного материала разрушается или при котором развиваются значительные пластические деформации.
Допускаемое напряжение – напряжение, величина которого регламентируется техническими условиями
Допускаемое напряжение устанавливается с учетом материала конструкции и изменяемости его механических свойств в процессе эксплуатации, степени ответственности конструкции, точности задания нагрузок, срока службы конструкции, точности расчетов на статическую и динамическую прочность.
Определяется допускаемое напряжение по формуле: [σ] = σпр/[n]
σпр – предельное для данного материала напряжение
[n] – нормированный коэффициент запаса прочности
Условие прочности позволяет решать три типа задач.
1) Проверка
прочности.
По известным продольной силе и размерам поперечного сечения стержня определяют наибольшее напряжение, которое сравнивают с допускаемым, либо определяют фактический запас прочности.
n = σпр/σmax >= [n], где n – фактический коэффициент запаса прочности, [n] – нормативный коэффициент запаса прочности.
2) Подбор сечения – проектировочный расчет.
По известным продольной силе и допускаемому напряжению определяется необходимая площадь поперечного сечения:
A >= Nmax/[σ]
3) Определение допускаемой нагрузки.
По известным площади поперечного сечения и материалу (допускаемое напряжение) стержня определяют допускаемое значение продольной силы.
Nmax<=A[σ].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 МатериаламиСтекло
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.
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 деформация происходит только на микроуровне, то 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 следует учитывать.
Уменьшение нежелательного хрупкого разрушения
Предоставлено: The Sand TrapХрупкое разрушение может быть запланированной и желаемой функцией. 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 вязко-хрупкого перехода (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. | Хрупкие материалы выходят из строя из-за внезапного разрушения (без предупреждения, например, образования шейки). |
Энергия, поглощаемая пластичными материалами до разрушения при испытании на растяжение, больше. |