Hапряжения и деформация Упругая и пластическая деформация Деформацией

Hапряжения и деформация. Упругая и пластическая деформация. Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений. Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Схема возникновения нормальных и касательных напряжений при нагружении металла

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений где: Е - модуль упругости.

Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений а – ненапряженная решетка; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация; д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Схемы пластической деформации различными способами: а – скольжением; б – двойникованием

Схема дислокационного механизма пластической деформации а – перемещение атомов при движении краевой дислокации на одно межатомное расстояние; б – перемещение дислокации через весь кристалл

Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%.

Влияние холодной пластической деформации на механические свойства металла

Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации

Влияние нагрева деформирован ного металла на механические свойств

Изменение структуры деформированного металла при нагреве

Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

• Стандартные механические свойства, определяемые при статических и динамических нагружениях, и методы их определения. Теоретическая и реальная прочность металлов. Пути повышения прочности металлов. Прочность, вязкость, живучесть, долговечность, выносливость металлов.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: • статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно. • динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер. • повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

• Предел пропорциональности– максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. • Условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. • Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям. • Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию • Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву). • Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца • Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т. е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Диаграмма растяжения

Истинная диаграмма растяжения

Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Метод Роквелла (ГОСТ 9013)

Метода Виккерса и измерение микротвердости

• Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. • Хладноломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести. Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Конструкционная прочность материалов. Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации. В результате испытаний на конструкционную прочность материалов получают следующие характеристики: • силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости); • деформационные (относительное удлинение, относительное сужение); • энергетические (ударная вязкость).

На конструкционную прочность влияют следующие факторы: конструкционные особенности детали (форма и размеры); механизмы различных видов разрушения детали; состояние материала в поверхностном слое детали; процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539 °С± 5° С. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 °С, плотность – 2, 5 г/см 3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 °С). Цементит (Fe 3 C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6, 67 % углерода. В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII) Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α - железо. Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе.

Микроструктуры технического железа: а – содержание углерода менее 0, 006%; б – содержание углерода 0, 006… 0, 02 % Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь (Ф+П); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (П+ЦII)

Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектический белый чугун (П+Л+ЦII); б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун (Л+ЦI)

Влияние углерода на свойства сталей

Классификация углеродистых сталей 1. По химическому: составу: углеродистые и легированные. 2. По содержанию углерода: – низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0, 25 %; – среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0, 3… 0, 6 %; – высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0, 7 % 3. По равновесной структуре: доэвтектоидные, заэвтектоидные. 4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора: – 0, 04%≤S≥ 0, 06%, 0, 04%≤P≥ 0, 08% – углеродистые стали обыкновенного качества: – P, S=0, 03… 0, 04% – качественные стали; – P, S ≤ 0, 03% – высококачественные стали. 5. По способу выплавки: – в мартеновских печах; – в кислородных конверторах; – в электрических печах: электродуговых, индукционных и др. 6. По назначению: – конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов; – инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов; – специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Схема образования структур при графитизации

Схемы микроструктур чугуна в зависимости от металлической основы и формы графитовых включений

Отжиг ковкого чугуна

Зависимость свободной энергии структурных составляющих сталей от температуры: аустенита (FA), мартенсита (FM), перлита (FП)

Диаграмма изотермического образования аустенита: 1 - начало образования аустенита; 2 - конец преобразования перлита в аустенит; 3 - полное растворение цементита

Превращения, протекающие в структуре стали при нагреве и охлаждении • • 1. Превращение перлита в аустенит (П→А), происходит при нагреве выше критической температуры А 1, минимальной свободной энергией обладает аустенит. Fe (С)+ Fe 3 С→ Fe (С) 2. Превращение аустенита в перлит (А→П), происходит при охлаждении ниже А 1, минимальной свободной энергией обладает перлит: Fe (С)→ Fe (С)+ Fe 3 С 3. Превращение аустенита в мартенсит(А→М), происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия Fe (С)→ Fe (С)' 4. Превращение мартенсита в перлит (М→П); – происходит при любых температурах, т. к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита. Fe (С)' →Fe (С)+ Fe 3 С

Механизм превращения перлита в аустенит

Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

Механизм превращения аустенита в перлит Ориентированность кристаллов мартенсита Кристаллическая решетка мартенсита (а); влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита (б)

Зависимость температур начала (МН) и конца (МК)мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита (а), схема влияния скорости охлаждения на температуру превращения аустенита (б)

Термокинетические диаграммы превращения переохлажденного аустенита: а – для эвтектоидной стали; б – для доэвтектоидной легированной стали