Proprietățile mecanice ale metalelor

Folosind datele din acest tabel pot fi calculate, de exemplu, forța necesară pentru a întinde o tijă de oțel de secțiune pătrată, cu latura de 1 cm până la 0,1% din lungimea sa:

F = 200 000 MPa x 1 cm 2 x 0,001 = 20 000 N (= 20 kN)

Atunci când un metal model tensiune aplicată depășește limita elastică, ele provoacă o deformare plastică (ireversibil), conducând la o schimbare ireversibilă a formei sale. tensiuni mai mari pot provoca degradarea materialului.

Cel mai important criteriu în selectarea unui material metalic, care necesită o elasticitate ridicată, un punct de curgere. În cel mai bun arc de oțel este practic același modulul de elasticitate, precum și la cea mai ieftină clădire, dar oțel pentru arcuri capabil să reziste la stres mult mai mare și, în consecință, mult mai elastică de deformare, fără deformări plastice, deoarece acestea au o rezistență mai mare randament.

Când materialul metalic este încărcat în exces a punctului de curgere, aceasta continuă să se deforma plastic, dar un proces de deformare devine mai solidă, astfel încât este nevoie de mai creștere de tensiune pentru a crește în continuare deformarea. Acest fenomen se numește tulpina sau lucrarea de întărire (și durificare). Se poate demonstra, răsucirea în mod repetat sau kinking sârmă metalică. rigidizarea Strain produselor metalice sunt adesea realizate la plante. foaie de alama, sarma de cupru, bare de aluminiu poate fi de laminare la rece sau tragere la rece pentru a aduce nivelul de duritate necesară a produsului final.

Stretching. Relația dintre stres și tulpina pentru materialele adesea examinate prin efectuarea unui test de tracțiune și în care diagrama obținută se întinde - grafic axa orizontală de deformare, care este depozitată, iar pe verticală - tensiune (figura 1.). Deși tracțiune specimen secțiune transversală descrește (pe măsură ce crește lungime), tensiunea de obicei calculată prin raportarea forței la suprafața secțiunii transversale inițiale, mai degrabă decât a redus, ceea ce ar da adevărata tensiune. Pentru deformări mici, nu contează, dar poate avea ca rezultat o diferență semnificativă. Fig. 1 prezintă curbele de deformare - tensiune pentru cele două materiale cu plasticitate inegale. (Plasticitate -. Această capacitate a unui material alungit fără rupere, dar fără a reveni la forma inițială, după ce sarcina este îndepărtată) secțiunea începător liniară ca cea și celelalte capete ale curbei în punctul randamentului unde începe fluxul de plastic. Pentru mai puțin material ductil punct al diagramei cea mai mare, rezistența la tracțiune corespunde distrugerii. Pentru o rezistență la tracțiune de material mai ductil este atins atunci când rata de descreștere a deformării secțiunii transversale devine mai mare atunci când rata de ecruisare. În această etapă în testul începe formarea unui „gât“ (crestare accelerată locală). Deși capacitatea de a rezista la sarcina scade de probă, materialul în gât continuă să se întărească. Testul se termină cu un gât pauză.

Fig. 1. SCHEMA DE EXTENSIE

două metale cu diferite ductilitate: relativ fragil (linia punctată) și mai plastic (linie solidă). Randamentul ambelor metale sunt aproape identice. de metal mai fragil este distrus la atingerea rezistența la rupere la tracțiune, și este mai ductil - care trece prin rezistența la tracțiune.

Valorile tipice ale cantităților care caracterizează rezistența la întindere a unui număr de metale și aliaje sunt prezentate în Tabelul. 2. Este ușor de observat că aceste valori pentru unul și același material poate varia foarte mult în funcție de tratament.

Compresie. Proprietățile elastice și plastice ale compresie este, de obicei, foarte similar cu cel observat la întindere (fig. 2). Raportul curbă între tensiunea teoretică și setul de compresie convențional trece deasupra curbei tensiune-deformare corespunzătoare, deoarece secțiunea transversală de compresiune a probei nu este redus, dar a crescut. Dacă axele graficului să amâne stres adevărat și tulpina adevărat, curbele sunt practic aceleași, deși eșecul apare precoce în tensiune.

Fig. 2. Diagrama de tensiune și compresiune

Curba pentru comprimarea tensiunii mai mare decât condiționată merge stretching, deoarece secțiunea transversală de compresiune este crescut, nu a scăzut.

Duritate. Duritatea materialului - este capacitatea sa de a rezista la deformare plastică. Deoarece încercarea la tracțiune necesită echipamente costisitoare și consumatoare de timp, de multe ori recurg la un test simplu pentru duritate. Atunci când este testat prin metode Brinell și Rockwell în suprafața metalică la o anumită sarcină și viteza de încărcare presată „cavitație“ (vârful având forma unei sfere sau o piramidă). Acesta este apoi măsurat (de multe ori acest lucru se face în mod automat) dimensiunea de imprimare, și este o valoare determinată (număr) de duritate. Este mai mic amprenta, mai fermitatea. Duritatea și rezistența la tracțiune - acest lucru este de a unor caracteristici comparabile măsură: de obicei, prin creșterea cantității unuia dintre ele crește și altele.

Poate părea că este întotdeauna materiale maxime dorite de curgere și duritatea metalice. De fapt, acest lucru nu este adevărat, și nu numai din motive economice (procese de întărire necesită costuri suplimentare).

În primul rând, materialele ar trebui să aibă forma de diferite produse, dar este de obicei realizată folosind procedee (rulare, forjare, presare), care joacă un important rol de deformare plastică. Chiar și atunci când procesarea pe un instrument de mașină este o deformare foarte semnificativă din plastic. În cazul în care duritatea materialului este prea mare, pentru a da forma dorită necesară prea multă forță, astfel încât instrumentele de tăiere uza rapid afară. O astfel de dificultate poate fi redusă prin tratarea metalelor la temperaturi ridicate atunci când acestea devin mai moi. Dacă tratamentul termic nu este posibilă, recoacerea metalic utilizat (încălzire și răcire lentă).

În al doilea rând, ca material de metal devine mai greu, se pierde în mod tipic ductilitate. Cu alte cuvinte, materialul devine fragil, dacă puterea sa de curgere este atât de mare încât deformarea plastică nu apare decât stresul, care provoacă imediat distrugere. Proiectantul trebuie, de obicei, de a alege orice niveluri intermediare de duritate și ductilitate.

Rezistența la impact și fragilitate. Vâscozitatea opusul fragilitate. Capacitatea acestui material de a rezista fracturi, care absorb energia de impact. De exemplu, sticlă fragilă, pentru că nu este în măsură să absoarbă energia prin deformare plastică. Într-un impact la fel de dramatic pe o foaie de aluminiu moale, nu se produce tensiuni mari, astfel încât aluminiu capabil de deformare plastică, energia de absorbție a PIN-ul.

Există mai multe metode diferite de testare de impact de metal. Când se folosește metoda din metal prismatic Charpy crestate proba trece con pendula retractată. Munca cheltuit pe fractura specimen, determinată de distanța la care pendulul este deviat după impact. Aceste teste arată că oțelul și multe metale se comporta ca casant la temperaturi joase, dar lipicios - crescute. Tranziția de la ductil la un comportament casant apare adesea într-un interval de temperatură destul de îngust, care se numește temperatură punctul de mijloc al tranziției casant-ductilă. Alte teste de impact indică, de asemenea, prezența unor astfel de tranziție, dar temperatura de tranziție este măsurată variază de la proces la proces, în funcție de adâncimea crestăturii, mărimea și forma eșantionului și metoda vitezei de încărcare și de impact. Deoarece nici unul dintre tipurile de teste nu redă întreaga gamă de condiții de funcționare, testul de impact sunt valoroase numai celor care vă permit să comparați diferite materiale. Cu toate acestea, au dat o mulțime de informații importante cu privire la impactul de topire, tratament termic și tehnologia de fabricare a tendinței de a fracturii fragile. Temperatura de tranziție pentru oțeluri, așa cum este măsurată printr-o Charpy cu crestătură în V se poate ajunge la 90 ° C, dar dopants corespunzătoare și tratamentul termic poate fi redus la # 61485; # 130 61616; S.

fractură casantă de oțel a fost cauza multor accidente, cum ar fi conductele bruște de penetrație, vase sub presiune și rezervoare de stocare explozii, se prăbușește poduri. Printre cele mai faimoase exemple - un număr mare de nave ale „Liberty“, care placari cheltuieli neprevăzute, în timpul călătoriei. Ancheta a arătat că eșecul vaselor „Liberty“ sa datorat, în special de tehnologie, sudura necorespunzătoare, lăsați tensiunea interioară, controlul slabă asupra compoziției defectelor de sudură și design. Informațiile obținute în urma testelor de laborator, se va reduce semnificativ probabilitatea unor astfel de accidente. Temperatura tranziției casant-ductilă a unor materiale, cum ar fi tungsten, siliciu și crom, în condiții normale, cu mult peste temperatura camerei. Astfel de materiale sunt în general considerate fragile, și pentru a le da forma dorită prin deformare plastică numai după încălzire. În același timp, cupru, aluminiu, plumb, nichel, unele grade de oțeluri inoxidabile și alte metale și aliaje nu devin fragile la temperaturi scăzute. Deși se cunosc multe despre fractura fragile, acest fenomen nu poate fi încă considerată ca fiind studiată pe deplin.

Oboseala. Oboseala numit eșec structurale sub acțiunea sarcinilor ciclice. Atunci când partea este îndoită într-o direcție și apoi cealaltă parte, suprafața alternativ supus comprimării, tensiunea. Atunci când un număr suficient de mare de cicluri de încărcare poate provoca distrugerea tensiunii mult mai mici decât cele la care degradarea se produce în cazul unei singure încărcare. subliniază alternante provoca o deformare plastică și localizate durificării materialului, rezultând într-un mic apar fisuri în timp. Concentrarea tensiunilor lângă capetele fisurilor le face să crească. Primele fisuri cresc încet, dar cu o scădere în secțiune transversală, care reprezintă sarcina, tensiunea de la capetele de fisuri crește. În acest caz, fisurile cresc mai repede și, în cele din urmă, se aplică imediat în întreaga secțiune a părții.

Oboseala este în mod clar cea mai frecventă cauză a eșecului structurale în domeniu. Deosebit de sensibile la acest lucru, mașină, care lucrează la o încărcare ciclică. Oboseala aeronavelor este o problemă foarte importantă din cauza vibrațiilor. Pentru a evita eșecul oboseala de multe ori trebuie să verifice și să înlocuiască piesele pentru avioane și elicoptere.

Târî. Creep (sau fluajul) este o creștere lentă de deformare plastică sub sarcină de metal constant. Odată cu apariția motoarelor cu reacție, a turbinelor cu gaz și rachete au devenit din ce în ce mai importante proprietăți materiale la temperaturi ridicate. In multe domenii de dezvoltare în continuare tehnologia este constrânsă de limitările asociate proprietăților mecanice la temperaturi ridicate ale materialelor.

La temperaturi normale, deformarea plastică este setat aproape instantaneu, odată ce este aplicată tensiunea corespunzătoare, și alte creșteri puțin. La temperaturi ridicate, metalele nu sunt doar mai moi, ci și deformat, astfel încât deformarea continuă să crească în timp. Această deformare dependentă de timp, sau fluajul, poate limita durata de viață a structurilor care au nevoie de o lungă perioadă de timp pentru a lucra la temperaturi ridicate.

Fig. 3. Curbele de fluaj tipice.
După pasul rapid tranzitorie fluaj scade rata de fluaj și devine aproape constantă, iar apoi vine un stadiu fluajului accelerat care completează distrugere.

de viață a componentelor în condiții de fluaj poate fi determinată fie prin deformarea maximă admisibilă sau distrugerea, iar proiectantul trebuie să păstreze întotdeauna în minte aceste două opțiuni. Materialele adecvate pentru fabricarea articolelor destinate pentru funcționarea la temperaturi ridicate, cum ar fi lamele ale turbinelor, este dificil de estimat dinainte. Teste pentru un timp egal cu termenul preconizat de serviciu, de multe ori practic imposibilă, iar rezultatele sunt pe termen scurt de test (accelerare) nu este atât de ușor să extrapoleze pentru perioade mai lungi, așa cum se poate schimba natura distrugerii. Deși proprietățile mecanice ale aliajelor de temperatură înaltă s-au îmbunătățit în mod constant, și materiale de la oamenii de știință din metal vor fi întotdeauna provocați să creeze materiale care pot rezista la temperaturi chiar mai mari.

Deasupra era tiparele generale ale comportamentului metalelor sub sarcini mecanice. Pentru a înțelege mai bine fenomenul, este necesar să se ia în considerare structura atomica a metalelor. Toate metalele solide - materiale cristaline. Ele sunt compuse din cristale sau granule, în care aranjamentul atomic corespunde corecta zăbrele tridimensională. Structura cristalină a metalului poate fi prezentat ca fiind compuse din avioane atomice sau straturi. Când tensiunea de forfecare aplicată (forță, forțând două planul metalic adiacent al eșantionului să alunece unul peste celălalt în direcții opuse), un singur strat de atomi se pot deplasa integral la distanța interatomică. O astfel de schimbare va afecta forma suprafeței, dar nu pe structura cristalină. În cazul în care un strat este deplasat de mai multe distanțe interatomice formate apoi pe „pasul“ de suprafață. Deși atomii individuali sunt prea mici pentru a fi observate cu un microscop, un pas format prin glisare, în mod clar vizibile la microscop și sunt numite linii de alunecare.

obiecte metalice convenționale, ne-a găsit pe o bază de zi cu zi, sunt policristaline, și anume Acesta constă dintr-un număr mare de cristale din care fiecare are propriile sale planuri atomice de orientare proprie. Deformarea policristaline de metal convențional singur cristal are o tulpină în comun este că aceasta se datorează alunecarea planurilor atomice ale fiecărui cristal. Vizibile întreaga culisează limitele lor de cristale se observă numai în condiții de fluaj la temperaturi ridicate. Mărimea medie a unui singur cristal sau cereale poate fi de la câteva miimi la câteva zecimi de un centimetru. Dezirabil granularitate mai fină, deoarece proprietățile mecanice ale metalelor cu granulație fină mai bine decât grosier. În plus, finegrained metale mai puțin fragil.

Alunecare și dislocarea. procesele de alunecare ar putea explora mai mult pe cristale unice de metal cultivate in laborator. Sa dovedit nu numai că alunecare are loc în anumite zone specifice și avioane, de obicei, bine definite, dar monocristalelor deformate la tensiuni foarte mici. Lumină naturală monocristale în stare randamentul începe la 1 pentru aluminiu și fier - la 15-25 MPa. În teorie, această tranziție este, în ambele cazuri, trebuie să aibă loc la tensiuni de aprox. 10 000 MPa. Această discrepanță între datele experimentale și calculele teoretice de mai mulți ani, a fost o problemă importantă. In 1934, Taylor a sugerat Orowan Polani și explicație bazată pe reprezentarea defectelor de structură cristalină. Ei au sugerat că prima deplasare de alunecare are loc la un moment dat de un plan atomic, care se propagă apoi prin cristal. Mutat granița dintre regiuni și nesdvinuvsheysya (Fig. 4) este un defect liniar al structurii cristaline, numită dislocare (în figură, această linie merge la cristal perpendicular pe planul desenului). Când cristalul se aplică tensiunea de forfecare, o dislocare se mișcă, provocând alunecarea în planul în care se află. După dislocarea formate, ele sunt foarte ușor să se deplaseze prin cristal, ceea ce explică „moliciunea“ de cristale.

Fig. 4. rețeaua cristalină.
și - forfecare tensiuni aplicate în direcția săgeților; Left dislocare format (b), înconjurată de un cerc care se deplasează spre dreapta (in), atunci balanța (z) poate fi recuperată din nou.

Efectele temperaturii. Influența temperaturilor ridicate pot fi explicate pe baza reprezentărilor dislocații și structura de cereale. Numeroase dislocații din cristale de călite tulpina de metal și distorsionează energia rețelei cristaline a cristalului este crescut. Când metalul este încălzit, atomii devin mobili și sunt transformate în cristale noi, mai perfecte având mai puține dislocații. Cu o astfel de recristalizare și înmuiere conectat care are loc în timpul recoacere metalelor.

Bernstein ML Zaymovsky VA Proprietățile mecanice ale metalelor. M. 1979
Uayett OG Dew-Hughes J. Metals, ceramică și polimeri. M. 1979
Pavlov PA Condiția mecanică și rezistența materialului. L. 1980
Sobolev ND Bogdanovic KP Proprietățile mecanice ale materialelor și elementele de bază ale fizicii putere. M. 1985
Zhukavets II Testarea mecanică a metalelor. M. 1986
Bobylev AV Proprietățile mecanice și tehnologice ale metalelor. M. 1987