Упругая и пластическая деформация
Выше точки А, пропорциональность между давлением и деформацией нарушается. Увеличение напряжений приводит не только к упругости, но и к остаточной пластической деформации. Упругие и пластические деформации в физическом базисе принципиально отличаются друг от друга. При упругой деформации происходит обратимое смещение атома из равновесного положения в Кристалле Рис 2.1. Диаграмма растяжения
После снятия нагрузки атомы, смещенные под действием притяжения (растяжения) или отталкивания (сжатия), возвращаются в исходное равновесное положение, а кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размер. Упругие свойства материала определяются силой межатомного взаимодействия. В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одной части Кристалла относительно другой.
После снятия нагрузки исчезает только упругая составляющая деформации. Пластичность, то есть способность металла подвергаться значительной пластической деформации до разрушения, является одним из важнейших свойств металла. За счет пластичности обработки металла давлением. Пластичность позволяет равномерно перераспределять локальные напряжения по всему объему металла, снижая риск разрушения. Металл характеризуется Бо. Сопротивление ножниц более низкое растяжимое / обжатие
. Поэтому процесс пластической деформации обычно представляет собой процесс скольжения части Кристалла относительно поверхности кристалла или более плотной упаковки и скольжения поверхности атомов, здесь скольжение осуществляется в результате движения в кристалле дислокации. В результате скольжения кристаллическая структура подвижной части не изменяется(рис. 2.2). В Рис 2.2. Схема пластической деформации ползуном: о начальное состояние; б-упругая деформация; в-упругая и пластическая деформация; Д-пластическая (остаточная) деформация после плоскости АВ; F-сила 49I н ш
Пластическая деформация по рис. 2.3 более чем в два раза: F-сила; AB-плоскость смещения Еще одним механизмом пластической деформации является двойникование. Как и в случае со слайдами, двойникование осуществляется путем сдвига, но в этом случае часть кристалла может смещаться в положение, соответствующее зеркальному отражению неподвижной части( 2.3). Двойникование, как и скольжение, предполагает прохождение дислокаций через кристалл. Когда Близнецы деформируются, напряжение сдвига выше, чем при скольжении.
Сдвоенная деформация обычно наблюдается при низкой температуре и высокой скорости приложения нагрузки, так что для скольжения требуется высокое напряжение сдвига. Двойники более характерны для металлов с решетками GP (Ti, Mg, Zn). Согласно концепции дислокации, процесс скольжения и двойникования не сдвигает одну атомную плоскость к другой одновременно, но фактическое напряжение сдвига намного меньше теоретического, из-за того, что непрерывное перемещение дислокаций в плоскости сдвига требует гораздо меньшей силы, чем жесткость атомной плоскости. Напряжение, необходимое для пластической деформации зависит от скорости деформации и температуры.
С увеличением скорости деформации требуется высокое напряжение для достижения заданной деформации, величина требуемого напряжения уменьшается с увеличением температуры. Таким образом, пластическая деформация является термически активированным процессом. При понижении температуры предел текучести большинства металлов увеличивается. Температурная зависимость предела текучести металлов с ГЦК решетками значительно ниже, чем с другими типами решеток.
| Хрупкое и вязкое разрушение | Кристаллизация металлов |
| Факторы, определяющие характер разрушения | Свойства металлов и сплавов |
3 Нагартовка – оборудование и технологический процесс
Данный способ упрочнения нашел свое применение в том случае, когда необходимо повысить устойчивость деталей к растрескиванию, а также предотвратить усталость материала. Он часто используется в таких областях, как автомобиле- и авиастроение, в нефтяной и строительной индустриях. Немаловажным в этом вопросе является и качество оборудования, с помощью которого производят наклеп металла. Сегодня выбор установок довольно велик, причем они могут быть как общего назначения, так и созданные для какого-то конкретного ассортимента, например болтов, пружин и т. д. При этом независимо от размеров и вида обработки, процесс полностью автоматизирован, каждая установка позволяет регулировать как количество дроби, так и скорость, с которой она подается.
Как говорилось выше, данное явление может быть желаемым и наоборот. Желательное (полезное) – его называют нагартовкой – в основном применяют, когда нет возможности упрочнить металл путем термической обработки, также тогда находят свое применение операции, осуществляемые путем холодного деформирования. Это накатка, волочение, холодная прокатка, дробеструйная обработка и т. д. В основном нагартовке подвергаются медь, некоторые алюминиевые сплавы и сталь с содержанием углерода менее 0,25 %.
Что же насчет вредного наклепа, так здесь тоже все понятно, он возникает как бы сам собой и является нежелательным результатом какого-либо механического воздействия. Таким образом, проводить дальнейшую обработку металла зачастую становится невозможно, потому что можно повредить как инструмент, так и само изделие. Еще одним поводом для нежелательного упрочнения может служить нагрузка, повторявшаяся несколько раз, и в каждом случае было превышение предела текучести материала. Вследствие чего металл может быть подвержен полному разрушению.
В случае, когда необходимо вернуть образцу первоначальные свойства, производят снятие наклепа. Осуществляется данная процедура путем нагревания металла, так как тогда движение атомов становится более интенсивным, что способствует протеканию процессов, которые возвращают его в более устойчивое состояние. При этом следует иметь в виду, если нагрев относительно невысокий, тогда происходит возврат (снятие микронапряжений второго рода и частичного искажения кристаллической решетки).
Но если температуру и дальше увеличивать, тогда атомы становятся все более и более подвижными, в результате чего появляются новые равноосные зерна. Данное явление носит название рекристаллизационный отжиг. Этот процесс является по своей сути диффузионным, первыми возникают зародыши новых зерен в местах, где плотность дислокаций повышена и сосредоточены наибольшие искажения кристаллической решетки. Далее же происходит рост очагов в результате перехода атомов от проблемных участков. В конце концов деформированные зерна исчезают полностью, а металл состоит из новых, равноосных. Так становится видно, что наклеп и рекристаллизация являются противоположными процессами.
Математические описания
Теория деформации
кривая напряжения-деформации
Есть несколько математические описания пластичности. Один из них – теория деформации (см., Например, закон Гука ), где тензор напряжений Коши (порядка d-1 в d-измерениях) является функцией тензора деформации. Хотя это описание является точным, когда небольшая часть вещества подвергается возрастающей нагрузке (такой как деформационная нагрузка), эта теория не может объяснить необратимость.
Пластичные материалы могут выдерживать большие пластические деформации без разрушения. Однако даже пластичные металлы будут разрушаться, когда деформация становится достаточно большой – это происходит в результате наклепа материала, в результате чего он становится хрупким. Термическая обработка, такая как отжиг, может восстановить пластичность обрабатываемой детали, чтобы можно было продолжить формование.
Теория пластичности течения
В 1934 году Эгон Орован, Майкл Полани и Джеффри Ингрэм Тейлор, примерно одновременно, реализовали что пластическая деформация пластичных материалов может быть объяснена с точки зрения теории дислокаций. Математическая теория пластичности, теория пластичности потока, использует набор нелинейных, неинтегрируемых уравнений для описания набора изменений деформации и напряжения по сравнению с предыдущим состоянием и небольшого увеличения деформации..
Виды деформации твердых тел
Деформация растяжения
Деформация растяжения — вид деформации, при которой нагрузка прикладывается продольно от тела, то есть соосно или параллельно точкам крепления тела. Проще всего растяжение рассмотреть на буксировочном тросе для автомобилей. Трос имеет две точки крепления к буксиру и буксируемому объекту, по мере начала движения трос выпрямляется и начинает тянуть буксируемый объект. В натянутом состоянии трос подвергается деформации растяжения, если нагрузка меньше предельных значений, которые может он выдержать, то после снятия нагрузки трос восстановит свою форму.
Схема растяжения образца
Посмотрите прибор измеряющий деформацию растяжения →
Деформация растяжения является одним из основных лабораторных исследований физических свойств материалов. В ходе приложения растягивающих напряжений определяются величины, при которых материал способен:
- воспринимать нагрузки с дальнейшим восстановлением первоначального состояния (упругая деформация)
- воспринимать нагрузки без восстановления первоначального состояния (пластическая деформация)
- разрушаться на пределе прочности
Данные испытания являются главными для всех тросов и веревок, которые используются для строповки, крепления грузов, альпинизма. Растяжение имеет значение также при строительстве сложных подвесных систем со свободными рабочими элементами.
Деформация сжатия
Деформация сжатия — вид деформации, аналогичный растяжению, с одним отличием в способе приложения нагрузки, ее прикладывают соосно, но по направлению к телу. Сдавливание объекта с двух сторон приводит к уменьшению его длины и одновременному упрочнению, приложение больших нагрузок образовывает в теле материала утолщения типа «бочка».
Схема сжатия образца
В качестве примера можно привести тот же прибор что и в деформации растяжения немного выше.
Деформация сжатия широко используется в металлургических процессах ковки металла, в ходе процесса металл получает повышенную прочность и заваривает дефекты структуры
Сжатие также важно при строительстве зданий, все элементы конструкции фундамента, свай и стен испытывают давящие нагрузки. Правильный расчет несущих конструкций здания позволяет сократить расход материалов без потери прочности
Деформация сдвига
Деформация сдвига — вид деформации, при котором нагрузка прикладывается параллельно основанию тела. В ходе деформации сдвига одна плоскость тела смещается в пространстве относительно другой. На предельные нагрузки сдвига испытываются все крепежные элементы — болты, шурупы, гвозди. Простейший пример деформации сдвига – расшатанный стул, где за основание можно принять пол, а за плоскость приложения нагрузки – сидение.
Схема сдвига образца
Посмотрите прибор измеряющий деформацию сдвига →
Деформация изгиба
Деформация изгиба — вид деформации, при котором нарушается прямолинейность главной оси тела. Деформации изгиба испытывают все тела подвешенные на одной или нескольких опорах. Каждый материал способен воспринимать определенный уровень нагрузки, твердые тела в большинстве случаев способны выдерживать не только свой вес, но и заданную нагрузку. В зависимости от способа приложения нагрузки при изгибе различают чистый и косой изгиб.
Схема изгиба образца
Посмотрите прибор измеряющий деформацию изгиба →
Значение деформации изгиба важно для проектирования упругих тел, таких, как мост с опорами, гимнастический брус, турник, ось автомобиля и другие
Деформация кручения
Деформация кручения – вид деформации, при котором к телу приложен крутящий момент, вызванный парой сил, действующих в перпендикулярной плоскости оси тела. На кручение работают валы машин, шнеки буровых установок и пружины.
Схема кручения образца
Посмотрите прибор измеряющий деформацию кручения →
Понятие о пластической деформации
Деформацией называют процесс изменения формы и размеров тела под действием приложенных к нему нагрузок. Различают деформацию упругую (обратимую) и пластическую (остаточную). Упругой называют такую, при которой после снятия нагрузок тело восстанавливает свою первоначальную форму. Эта деформация (далее «деформация» — «Д») сопровождается изменением расстояний между атомами в кристаллической решетке в пределах ее параметра.
Пластической деформацией называют такую, при которой после снятия внешней нагрузки тело не восстанавливает первоначальную геометрическую форму и размеры. «Д» сопровождается смещением одной части кристалла по отношению к другой на расстоянии, значительно превышающем расстояние между атомами в кристаллической решетке.
Пластической «Д» всегда предшествует упругая «Д». Таким образом, общая пластическая деформация в момент действия нагрузки всегда состоит из упругой и пластической «Д». Упругая «Д» после снятия нагрузки исчезает
«Д» имеет важное практическое значение поскольку процессы обработки металлов давлением основаны на деформации заготовок. «Д» сопровождается не только изменением формы и размеров тела. Одновременно с этим в металле появляется внутреннее напряжение и происходит изменение его механических и физико-химических свойств
Одновременно с этим в металле появляется внутреннее напряжение и происходит изменение его механических и физико-химических свойств.
Величина и характер деформации зависят от пластических свойств металла. Пластичность металлов примерно может быть оценена относительным удлинением и относительным сужением при испытании образцов на растяжение. К характеристикам пластичности металлов относится также ударная вязкость, показывающая работу разрушения при изгибании надрезанного образца, отнесенную к его площади сечения в месте надреза.
Представление о упругих и пластических свойствах различных металлов дают диаграммы условной (рис. 1.5, а) и действительных напряжений и деформаций (рис. 1.5, б).
Диаграммы условных и действительных напряжений и деформаций обычно строятся на основании данных, полученных при испытании изразцов на растяжение. В диаграммах условного напряжения по оси ординат откладывается условное напряжение, по оси абсцисс относительное удлинение (рис. 1.5, а).
Условное напряжение определяется отношением усилия, действующего в данный момент, к первоначальной площади поперечного сечения образца.
|
| Рисунок 1.5. Схематическая диаграмма растяжений |
По диаграмме условного напряжения можно определить границу пропорциональности, предел текучести (физический и условный) и временное сопротивление разрыву. Широкое распространение получили диаграммы действительного напряжения в координатах. Настоящее напряжение S — относительное сужение площади поперечного сечения образца (рис. 1.5, б). Настоящее напряжение S является усилиями, отнесенными к площади поперечного сечения образца в данный момент испытания. На диаграмме действительного напряжения точка Sв характеризует напряжение, соответствующее началу образования шейки, а точка Sk — напряжение в момент разрыва. Касательная к кривой в точке Sв отсекает на оси ординат отрезок, близкий по величине временному сопротивлению разрыву, т.е. S0 = 6в
Действительная деформация выражается относительным сужением или относительным удлинением, выраженным через относительное сужение, . Кривая на диаграмме действительного напряжения (рис. 1.5, б) характеризует способность материала сопротивляться пластической деформации растяжением. Кривые действительного напряжения часто называют кривыми укрепления, поскольку действительное напряжение является пределом текучести материала, которое получает при укреплении при растяжении. При обработке давлением пользуются в основном диаграммой действительного напряжения, поскольку она точнее отражает действительные свойства металлов.
Чем больше разница между пределом прочности и пределом текучести, тем пластичнее металл. В хрупких материалах величина предела текучести приближается к пределу прочности, поэтому они разрушаются почти без пластической деформации. Так разрушается чугун, стекло, фарфор, горные породы и др. Следует отметить, что при нагреве металла до высоких температур значение предела текучести почти совпадает со значением предела прочности.
Источник → список литературы.
Деформация твёрдого тела: её виды, измерение
Подробности Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 17.11.2014 18:20 10272
Под воздействием внешних сил твёрдые тела меняют свою форму и объем, т.е. деформируются.
В результате действия приложенных к телу сил частицы, из которых оно состоит, перемещаются. Изменяются расстояния между атомами, их взаимное расположение. Это явление называют деформацией.
Если после прекращения действия силы тело возвращает свою первоначальную форму и объём, то такая деформация называется упругой, или обратимой. В этом случае атомы снова занимают положение, в котором они находились до того, как на тело начала действовать сила.
Если мы сожмём резиновый мячик, он изменит форму. Но тут же восстановит её, как только мы его отпустим. Это пример упругой деформации.
Если же в результате действия силы атомы смещаются от положений равновесия на такие расстояния, что межатомные связи на них уже не действуют, они не могут вернуться в первоначальное состояние и занимают новые положения равновесия. В этом случае в физическом теле происходят необратимые изменения.
Сдавим кусочек пластилина. Свою первоначальную форму он не сможет вернуть, когда мы прекратим воздействовать на него. Он деформировался необратимо. Такую деформацию называют пластичной, или необратимой.
Необратимые деформации могут также происходить постепенно с течением времени, если на тело воздействует постоянная нагрузка, или под влиянием различных факторов в нём возникает механическое напряжение. Такие деформации называются деформациями ползучести.
Например, когда детали и узлы каких-то агрегатов во время работы испытывают серьёзные механические нагрузки, а также подвергаются значительному нагреву, в них со временем наблюдается деформация ползучести.
Под воздействием одной и той же силы тело может испытывать упругую деформацию, если сила приложена к нему на короткое время. Но если эта же сила будет воздействовать на это же тело длительно, то деформация может стать необратимой.
Величина механического напряжения, при которой деформация тела всё ещё будет упругой, а само тело восстановит свою форму после снятия нагрузки, называется пределом упругости. При значениях выше этого предела тело начнёт разрушаться. Но разрушить твёрдое тело не так-то просто. Оно сопротивляется. И это его свойство называется прочностью.
Когда два автомобиля, соединённые буксировочным тросом, начинают движение, трос подвергается деформации. Он натягивается, а его длина увеличивается. А когда они останавливаются, натяжение ослабевает, и длина троса восстанавливается. Но если трос недостаточно прочный, он просто разорвётся.
Это интересно: Чем склеить оргстекло намертво в домашних условиях
Наклеп — металл
| Изменение полуширины липни Kai I. отношения интенсивностей / ( 310. |
Наклеп металла в тонком поверхностном слое, характеризуемый твердостью, не отражает в полной мере глубоких изменений, происходящих в металле, поэтому в области больших давлений проявляется несоответствие между искажен — ностью кристаллической решетки и кристаллитов и твердостью металла.
Наклеп металла не всегда бывает полезным, так как твердый и прочный металл трудно обрабатывать. Для облегчения дальнейшей обработки металла наклеп устраняют путем отжига
В результате отжига прочность и твердость поверхностного слоя металла понижаются, что важно для облегчения дальнейшей обработки металла.
Наклеп металлов в процессе пластической деформации с точки зрения отдельных дислокаций пока не исследован. Многие из современных дислокационных теорий не дают ясного представления о том, например, связано ли упрочнение при пластической деформации в основном с взаимодействием дислокаций или же с нарушениями, которые остаются в плоскостях скольжения на месте передвижения дислокаций. Несмотря на то, что имеющиеся данные по изучению свойств пластически деформированных металлов и сплавов пока не позволяют достаточно полно представить физическую картину процесса упрочнения, все же, по-видимому, относительная роль показателей тонкой кристаллической структуры в процессе упрочнения изменяется в зависимости от способа и стадии упрочнения, а также от свойств материала.
Наклеп металла, получающийся от действия на металл в холодном состоянии растяжения, сжатия, изгиба или удара1, вообще понижает ударную вязкость. Критическая температура хладноломкости наклепанной стали смещается в область более высоких температур.
Наклеп металла в статически напряженном состоянии.
Наклеп металла не всегда бывает полезным, так как твердый и прочный металл трудно обрабатывать. Для облегчения дальнейшей обработки металла наклеп устраняют путем отжига
В результате отжига прочность и твердость поверхностного слоя металла понижаются, что важно для облегчения дальнейшей обработки металла.
Наклеп металла увеличивается до момента разрыва образца, хотя растягивающая нагрузка при этом уменьшается от Ртах ДО Рк ( см-рис.
Наклеп металла устраняют термообработкой — рекристалли-зационным отжигом, при котором снимается плотность дислокаций и металл восстанавливает свою пластичность и остальные начальные свойства.
Наклеп металла устраняется рекристаллизационным отжигом. При рекристаллизации металл восстанавливает свои свойства, и его можно вновь пластически деформировать.
Наклеп металла устраняют термообработкой ( рекристаллиза-ционным отжигом), при которой металл восстанавливает свою пластичность и остальные начальные свойства.
| Изменение не ханических свойств при рекристаллизации меди.| Изменение механических свойств при рекристаллизации алюминия. |
Излишний наклеп металла может вызвать образование трещин. Такой металл поэтому не удается исправить ни термической, ни механической обработкой.
Наклеп металла трубы, образующийся при раздаче на прессе, повышает прочность последней, что очень важно при использовании труб в газопроводах.
Сохраняется ли наклеп металла, если пластическая деформация осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации.
Дислокации в алюминии
При разливке алюминиевых слитков первичные кристаллы растут из жидкой фазы и литая микроструктура обычно очень грубая. Когда алюминий пластически деформируют, каждое зерно деформируется путем движения линейных дефектов своей кристаллической решетки. Деформация происходит за счет проскальзывания по плоскостям скольжения вдоль направлений сдвига. Эти дефекты называют дислокациями (рисунок 1). Дислокации двигаются по некоторым кристаллографическим плоскостям в кристалле – так называемым «плотно упакованным плоскостям», которые известны как плоскости скольжения. Движение одной дислокации производит единичную сдвиговую деформацию, а объединенное движение сотен тысяч дислокаций — полную деформацию.
В ходе деформации при комнатной температуре число дислокаций возрастает и им становится трудно двигаться сквозь атомную решетку. В этом случае говорят, что алюминий «получил нагартовку», «получил деформационное упрочнение» или даже «наклепался», а такой алюминий или алюминиевый сплав называют нагартованным. Это означает, что для продолжения деформации требуется все большие усилия, а алюминий постепенно теряет пластичность, что, в конечном счете, приведет к образованию в нем трещин и его разрушению.
В это время на атомном уровне происходит следующее. В ходе деформации скольжение дислокаций происходит очень активно и движущиеся дислокации различных плоскостей скольжения начинают взаимодействовать друг с другом, перепутываться между собой и образовывать так называемый «лес» дислокаций. С увеличением плотности дислокаций возрастает предел текучести материала — где-то прямо пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций.
Область применения
Изготавливают из нее части механизмов, рельсовые крестовины, стрелочные переводы, сердечники для прокатки труб, гусеничные траки, броневые листы, детали дробилок, козырьки землечерпательных машин, все устройства, где требуется особая стойкость к износу при больших давлениях, ударным нагрузкам и истиранию. До 80-х годов из нее изготавливались защитные шлемы для солдат в британской и американской армиях. За двадцатый век их было выпущено порядка 30 миллионов штук. Эти шлемы — лишь один из способов использования стали Гадфильда. В 20-х годах из нее начали изготавливать траки для танков — это та часть гусениц, которая подвергается наибольшему воздействию и истиранию при передвижении тяжелых машин. Изготовленные из этой стали они позволили увеличить пробег техники без ремонта гусениц или их замены почти в 10 раз, с 500 км до 4800 км.
Сталь Гадфильда очень важна, она стала незаменимой в военной промышленности и танкостроении. С течением времени этот вид стали начали применять и в других областях деятельности.
