Физические основы пластичности и прочности металлов

 
 
 
 

     Реферат

     по  дисциплине:

     "Технология конструкционных материалов" 

     на  тему:

     "Физические основы пластичности и прочности металлов" 
 
 
 
 
 
 

     Выполнил студент

     гр.

     Проверил преподаватель 
 
 
 
 
 
 

     2010

 

     Содержание 

 

      Введение 

     Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.

     Зная  механические свойства, конструктор  при проектировании обоснованно  выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

     Пластичность  и прочность относятся к важнейшим  свойствам твердых тел.

     Оба эти свойства, взаимно связанные  друг с другом, определяют собой способность твердых тел противостоять необратимому формоизменению и макроскопическому разрушению, т. е. разделению тела на части в результате возникающих в нем под воздействием внешних или внутренних силовых полей микроскопических трещин.

     Для технолога очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанными на пластическом деформировании металла.

     Материалы с повышенной пластичностью менее  чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

     По  показателям прочности, пластичности и т. д. производят сравнительную  оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при  изготовлении изделий.

     В физике и технике пластичность —  способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки.

     Свойство  пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.

     Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

     Цель  настоящей работы – изучить физические основы пластичности и прочности металлов. 

 

      1. Физические основы прочности металлов  

     Прочность является фундаментальным свойством  твердых ,тел. Она определяет способность  тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения.

     Конечной  целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов  создания новых материалов с заданными  свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.

     Прочностью  называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

     непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) - олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

     прочные (от 50 до 500 МПа) - магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

     высокопрочные (более 500 МПа) - молибден, вольфрам, ниобий и др.

     К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

     Временное сопротивление металлов указано  в таблице 1.

 

      Таблица 1.

     Прочность металлов

 

     Большинство технических характеристик прочности  определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.

     Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l₀ и площадью поперечного сечения F₀.

     Наиболее  широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l₀/d₀ = 10 или короткие с l₀/d₀ = 5 (где d₀ - исходный диаметр образца).

     На  рис. 1, а приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.

     До  точки а эта деформация пропорциональна  нагрузке или действующему напряжению  

     σ = P/F_o,

     где Р - приложенная нагрузка; F_o - начальная площадь поперечного сечения образца. 

     Нагрузке  в точке а, определяющей конец  прямолинейного участка диаграммы  растяжения, соответствует предел пропорциональности.

     Теоретический предел пропорциональности - максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией  

     σ_пц = Р_пц/F_0. 

     Так как при определении положения  точка а на диаграмме могут  быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности, под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.

     Прямолинейную зависимость между напряжением  и деформацией можно выразить законом Гука:

     σ = Е эпсилон, 

     где эпсилон = (дельта l/l_о) 100% - относительная деформация;

     дельта l - абсолютное удлинение, мм;

     l₀ - начальная длина образца, мм.

     Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести σ0,2 (б) 

     Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg aльфа), характеризующий упругие  свойства материала, называется модулем  нормальной упругости.

     При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.

     Величина  модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

     Например, для различных углеродистых и  легированных сталей после любой  обработки Е = 21000 кгс/мм².

     Теоретический предел упругости - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию: 

     σ_уп = Р_уп/F₀. 

     Если  действующее напряжение в детали (конструкции) меньше σ_уп, то материал будет работать в области упругих деформаций.

     Ввиду трудности определения σ_уп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например σ0,005 и т. д.

     Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

     Предел текучести - физический и условный- характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

     Физический предел текучести - напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке  

     σ_т = P_Т/F₀. 

     Ha диаграмме растяжения пределу  текучести соответствует горизонтальный  участок с - d, когда наблюдается  пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.

     Большая часть технических металлов и  сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1, б):  

     σ0,2 =Р_0,2/F₀ 

     При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

     В точке В, где нагрузка достигает  максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» - сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную.