Tensiune proporțională. Caracteristicile de elasticitate și rezistență ale materialelor

Principalele proprietăți mecanice sunt rezistență, elasticitate,, . Cunoscând proprietățile mecanice, proiectantul selectează în mod rezonabil materialul adecvat care asigură fiabilitatea și durabilitatea structurilor cu greutate minimă. Proprietățile mecanice determină comportamentul unui material în timpul deformării și distrugerii sub sarcini externe.

În funcție de condițiile de încărcare, proprietățile mecanice pot fi determinate prin:

1. Încărcare statică– sarcina pe eșantion crește încet și fără probleme.
2. Încărcare dinamică– sarcina creste la viteza mare si are caracter de soc.
3. Încărcare repetată, variabilă sau ciclică– sarcina în timpul testului se modifică de multe ori în mărime sau în mărime și direcție.

Pentru a obține rezultate comparabile, probele și metodele de testare mecanică sunt reglementate de GOST.

Proprietățile mecanice ale metalelor, oțelurilor și aliajelor. Putere.

Putere– capacitatea unui material de a rezista la deformare și distrugere.

Testele sunt efectuate pe mașini speciale care înregistrează o diagramă de tracțiune care exprimă dependența de alungire a probei Δ l(mm) de la sarcina efectivă P, adică Δ l = f(P). Dar pentru a obține date despre proprietățile mecanice, ei reconstruiesc: dependența alungirii relative Δ l de la tensiunea δ.

Diagrama tensiunii materialelor

Figura 1: a – absolut, b – relativ;c – schema de determinare a limitei de curgere condiționată

Să analizăm procesele care au loc în materialul eșantion pe măsură ce sarcina crește: secțiune oaîn diagramă corespunde deformaţiei elastice a materialului când se respectă legea lui Hooke. Tensiunea corespunzatoare deformarii elastice limitatoare intr-un punct A, numit limita de proporționalitate.

Proprietățile mecanice ale metalelor, oțelurilor și aliajelor. Limita de proporționalitate.

Limită de proporționalitate (σ pts) – efort maxim până la care se menține relația liniară dintre deformare și efort.

La solicitări peste limita de proporționalitate are loc o deformare plastică uniformă (alungirea sau îngustarea secțiunii). Fiecare efort corespunde unei alungiri reziduale, care se obține prin trasarea unei linii paralele din punctul corespunzător al diagramei de alungire oa.

Deoarece este practic imposibil să se stabilească punctul de tranziție la starea inelastică, ei stabilesc limită elastică condiționată, – efortul maxim până la care proba primește doar deformare elastică. Se consideră solicitarea la care deformația reziduală este foarte mică (0,005...0,05%). Denumirea indică valoarea deformației reziduale (σ 0,05).

Proprietățile mecanice ale metalelor, oțelurilor și aliajelor. Limita de randament.

Rezistenta la curgere caracterizează rezistența materialului la mici deformații plastice. În funcție de natura materialului, se utilizează o limită de curgere fizică sau condiționată.

Limita de curgere fizică σ m– aceasta este solicitarea la care se produce o creștere a deformației sub sarcină constantă (prezența unei zone orizontale pe diagrama de tracțiune). Folosit pentru materiale foarte plastice.

Dar majoritatea metalelor și aliajelor nu au un platou de randament.

Dovada randamentuluiσ 0,2– aceasta este tensiunea care provoacă deformarea reziduală δ = 0,20%.

Tensiunile fizice sau de rezistență sunt caracteristici importante de proiectare ale unui material. Tensiunile care acționează în piesă trebuie să fie sub limita de curgere. Uniformă pe întregul volum continuă până la valoarea rezistenței la tracțiune. La punctul VÎn punctul cel mai slab, începe să se formeze un gât - oboseală locală severă a probei.

Proprietățile mecanice ale metalelor, oțelurilor și aliajelor. Rezistență la tracțiune.

Rezistență la tracțiune σ în – efort corespunzătoare sarcinii maxime pe care o poate suporta proba înainte de rupere (rezistență temporară la tracțiune).

Formarea gâtului este tipică pentru materialele plastice care au o diagramă de tensiune cu un maxim. Rezistența finală caracterizează rezistența ca rezistență la deformarea plastică uniformă semnificativă. Dincolo de punctul B, din cauza dezvoltării gâtului, sarcina scade și distrugerea are loc în punctul C.

Adevărata rezistență la distrugere – aceasta este solicitarea maximă pe care o poate suporta materialul în momentul care precede distrugerea probei (Figura 2).

Rezistența reală la rupere este semnificativ mai mare decât rezistența finală, deoarece este determinată în raport cu zona finală secțiune transversală probă.

Diagrama de tensiune adevărată

Orez. 2

F la - aria secțiunii transversale finale a probei.

Efortul adevărat S i este definit ca raportul dintre sarcină și aria secțiunii transversale în acest moment timp.

Încercarea de tracțiune determină și caracteristicile de plasticitate.

Proprietățile mecanice ale metalelor, oțelurilor și aliajelor. Plastic.

Plastic – capacitatea unui material de a suferi deformare plastică, adică capacitatea de a obține o modificare reziduală a formei și dimensiunii fără a întrerupe continuitatea. Această proprietate este utilizată în formarea metalelor.

Caracteristici:

• extensie relativă :

l o și l k – lungimea inițială și finală a probei;

S-ar părea că rezultatele obținute în paragrafele precedente rezolvă problema testării stabilității unei tije comprimate; Tot ce rămâne este să alegeți factorul de siguranță. Cu toate acestea, acesta nu este cazul. Un studiu mai atent al valorilor numerice obținute cu ajutorul formulei lui Euler arată că aceasta dă rezultate corecte numai în anumite limite.

Figura 1 arată dependența mărimii tensiunilor critice calculate la diferite valori ale flexibilității pentru oțelul 3, utilizat de obicei în structurile metalice. Această dependență este reprezentată de o curbă hiperbolică, așa-numita „hiperbolă euleriana”:

Când folosim această curbă, trebuie să ne amintim că formula pe care o reprezintă a fost obținută prin integrarea ecuației diferențiale a axei curbe, adică sub ipoteza ca tensiunile din tijă în momentul pierderii stabilităţii să nu depăşească limita de proporţionalitate.

Fig.1. Dependența hiperbolică a stresului critic de flexibilitatea tijei

În consecință, nu avem dreptul de a folosi valorile tensiunilor critice calculate folosind formula Euler dacă acestea sunt obținute peste această limită pentru un material dat. Cu alte cuvinte, formula lui Euler este aplicabilă numai dacă sunt îndeplinite următoarele condiții:

Dacă exprimăm flexibilitatea din această inegalitate, atunci condiția de aplicabilitate a formulelor lui Euler va lua o formă diferită:

Înlocuind valorile corespunzătoare ale modulului de elasticitate și ale limitei de proporționalitate pentru un material dat, găsim cea mai mică valoare a flexibilității la care este încă posibilă utilizarea formulei lui Euler. Pentru oțelul 3, limita de proporționalitate poate fi luată egală cu , asadar, pentru tije din acest material, puteti folosi formula Euler doar cu flexibilitate

adică mai mare de 100%

Pentru oțel 5 la Formula lui Euler este aplicabilă în condiții de flexibilitate; pentru fontă la , pentru pin la etc. Dacă trasăm o linie orizontală în Fig. 1 cu o ordonată egală cu , apoi va tăia hiperbola lui Euler în două părți; Puteți utiliza doar partea inferioară a graficului, care se referă la tije relativ subțiri și lungi, a căror pierdere de stabilitate are loc la solicitări care nu sunt mai mari decât limita de proporționalitate.

Soluția teoretică obținută de Euler s-a dovedit a fi aplicabilă în practică doar pentru o categorie foarte restrânsă de tije și anume, tije subțiri și lungi cu mare flexibilitate. Între timp, tijele cu flexibilitate scăzută se găsesc foarte des în structuri. Încercările de a utiliza formula lui Euler pentru a calcula tensiunile critice și a verifica stabilitatea la flexibilitate scăzută au condus uneori la dezastre foarte grave, iar experimentele privind compresia tijelor arată că la solicitări critice mai mari decât limita de proporționalitate, forțele critice reale sunt semnificativ mai mici decât cele determinate de formula lui Euler.

Astfel, este necesar să se găsească o modalitate de calculare a tensiunilor critice și pentru acele cazuri în care acestea depășesc limita de proporționalitate a materialelor, de exemplu, pentru tije din oțel moale cu zveltețe de la 0 la 100.

De remarcat imediat că, în prezent, cea mai importantă sursă pentru stabilirea tensiunilor critice dincolo de limita proporționalității, adică la flexibilitate scăzută și medie, sunt rezultatele experimentelor. Există încercări și solutie teoretica această sarcină, dar mai degrabă indică calea spre continuarea cercetării decât să ofere baze pentru calcule practice.

În primul rând, este necesar să selectați tije cu flexibilitate redusă, de la 0 la aproximativ 30 x 40; lungimea lor este relativ mică în raport cu dimensiunile secțiunii transversale. De exemplu, pentru o lansetă sectiune rotunda Flexibilitatea 20 corespunde unui raport dintre lungime și diametru egal cu 5. Pentru astfel de tije este dificil să vorbim despre fenomenul de pierdere a stabilității formei rectilinie a întregii tije în ansamblu, în sensul că acesta este cazul pentru subțiri. și tije lungi.

Aceste tije scurte vor ceda în principal din cauza faptului că tensiunile de compresiune din ele vor atinge limita de curgere (la materialele ductile) sau limita de rezistență (la materialele casante). Prin urmare, pentru tijele scurte, până la o flexibilitate de aproximativ 3040, tensiunile critice „vor fi egale sau ușor mai mici (datorită unei curburi a axei tijei care se mai observă), respectiv, fie (oțel), fie (turnat). fier, lemn).

Astfel, avem două cazuri limitative de funcționare a tijelor comprimate: tijele scurte, care își pierd capacitatea portantă în principal din cauza distrugerii materialului de la compresiune, și tijele lungi, pentru care este cauzată pierderea capacității portante. printr-o încălcare a stabilității formei rectilinie a tijei. O modificare cantitativă a raportului dintre lungimea și dimensiunile transversale ale tijei schimbă întreaga natură a fenomenului de fractură. Ceea ce rămâne obișnuit este brusca apariție a unei stări critice în sensul unei creșteri brusce bruște a deformațiilor.

În tije comprimate de mare flexibilitate, pentru care se aplică formula lui Euler, după atingerea forței R valoare critică, se observă de obicei o creștere bruscă a deformațiilor. Până în acest punct, deviațiile tind să crească odată cu creșterea sarcinii, dar rămân nesemnificative. Teoretic, s-ar aștepta ca tija să rămână dreaptă până la forța critică; Cu toate acestea, o serie de circumstanțe care sunt inevitabile în practică - curbura inițială a tijei, o oarecare excentricitate a aplicării sarcinii, suprasolicitari locale, eterogenitatea materialului - provoacă deviații mici chiar și la forțe de compresiune mai puțin critice.

Dependența scurtării de solicitarea în timpul comprimării tijelor scurte are un caracter similar; avem aceeași bruscă de creștere a deformațiilor la o anumită magnitudine a tensiunii (când ).

Acum rămâne să luăm în considerare comportamentul tijelor comprimate la valori medii ale flexibilității, de exemplu, pentru tijele de oțel cu flexibilitate de la 40 la 100; Inginerii întâlnesc cel mai adesea valori similare ale flexibilității în practică.

Prin natura distrugerii, aceste tije se apropie de categoria tijelor subtiri si lungi; își pierd forma liniară și sunt distruse de flambaj lateral semnificativ. În experimentele cu acestea, se poate observa prezența unei forțe critice clar exprimate în sensul „eulerian”; tensiunile critice se obțin peste limita de proporționalitate și sub limita de curgere pentru rezistența ductilă și la tracțiune pentru materialele casante.

Cu toate acestea, pierderea dreptății și reducerea tensiunilor critice în comparație cu barele scurte pentru aceste bare de flexibilitate „medie” sunt asociate cu aceleași fenomene de deteriorare a rezistenței materialului care provoacă pierderea capacității de încărcare la barele scurte. Aici se combină atât influența lungimii, care reduce valoarea tensiunilor critice, cât și influența unei creșteri semnificative a deformațiilor materialelor la solicitări dincolo de limita de proporționalitate.

Determinarea experimentală a forțelor critice pentru tijele comprimate a fost efectuată în mod repetat atât aici, cât și în străinătate. Material experimental deosebit de extins a fost colectat de Prof. F. Yasinsky, care a alcătuit un tabel de accentuări critice („rupere”) c. în funcție de flexibilitatea pentru o serie de materiale și a pus bazele metodelor moderne de calcul a tijelor comprimate pentru stabilitate.

Pe baza materialului experimental obținut, putem presupune că la solicitări critice mai mici decât limita de proporționalitate, toate experimentele confirmă formula lui Euler pentru orice material.

Pentru tijele de flexibilitate medie și scăzută au fost propuse diverse formule empirice, care arată că tensiunile critice pentru o astfel de flexibilitate se modifică conform unei legi apropiate de liniară:

Unde AȘi b coeficienți în funcție de material, o flexibilitate a tijei. Pentru fontă, Yasinsky a primit: A = 338,7MPa, b = 1,483 MPa. Pentru oțelul 3 cu flexibilitate de la = 40 până la = 100 de coeficienți AȘi b pot fi acceptate: A = 336 MPa; b = 1,47MPa. Pentru lemn (pin): A = 29,3 MPa; b = 0,194 MPa.

Uneori formulele empirice sunt convenabile, dând pentru regiunea inelastică modificarea tensiunilor critice conform legii unei parabole pătrate; acestea includ formula

Aici la = 0 este considerat pentru materialele ductile și casante; coeficient A, selectat din condiția conjugării netede cu hiperbola lui Euler, are valoarea:

pentru oțel cu limită de curgere = 280 MPa a = 0,009 MPa

Având în vedere datele prezentate aici, se poate construi un grafic complet al tensiunilor critice (în funcție de flexibilitate) pentru orice material. Figura 2 prezintă un astfel de grafic pentru oțel de construcție cu limita de curgere și limita proporționalității .

Fig.2. Tabel complet de tensiuni critice pentru oțel structural.

Graficul este format din trei părți: o hiperbolă Euler la, o linie dreaptă înclinată la și o linie dreaptă orizontală sau ușor înclinată la . Grafice similare pot fi construite prin combinarea formulei lui Euler cu rezultatele experimentale pentru alte materiale.

Verificarea stabilității tijelor comprimate.

S-a remarcat anterior că pentru barele comprimate trebuie efectuate două verificări:

pentru putere

pentru durabilitate

Unde

Pentru a stabili stresul admisibil pentru stabilitate, acum trebuie doar să selectăm factorul de siguranță k.

În practică, acest coeficient variază pentru oțel de la 1,8 la 3,0. Factorul de siguranță pentru stabilitate este selectat mai mare decât factorul de siguranță pentru rezistență, egal cu 1,5 × 1,6 pentru oțel.

Acest lucru se explică prin prezența unui număr de circumstanțe care sunt inevitabile în practică (curbura inițială, excentricitatea acțiunii, sarcini, eterogenitatea materialului etc.) și nu au aproape niciun efect asupra funcționării structurii sub alte tipuri de deformare (torsiune). , încovoiere, tensiune).

Pentru tijele comprimate, din cauza posibilității de pierdere a stabilității, aceste circumstanțe pot reduce foarte mult capacitatea de încărcare a tijei. Pentru fontă, factorul de siguranță variază de la 5,0 la 5,5, pentru lemn de la 2,8 la 3,2.

Pentru a stabili o conexiune între stresul permis pentru stabilitate și stresul permis pentru rezistență, să luăm raportul lor:

Desemnarea

aici este factorul de reducere a tensiunii principale admisibile pentru tijele comprimate.

Având un grafic al dependenței de pentru un anumit material, cunoscând sau și alegând factori de siguranță pentru rezistență și stabilitate, puteți crea tabele cu valorile coeficienților în funcție de flexibilitate. Astfel de date sunt furnizate în specificațiile noastre tehnice pentru proiectarea structurilor; sunt intabulate.

Diferitele materiale reacționează diferit la o forță externă aplicată acestora, provocând o modificare a formei și dimensiunilor liniare ale acestora. Această modificare se numește deformare plastică. Dacă corpul, după încetarea impactului, își restabilește în mod independent forma inițială și dimensiunile liniare, o astfel de deformare se numește elastică. Elasticitatea, vâscozitatea, rezistența și duritatea sunt principalele caracteristici mecanice ale corpurilor solide și amorfe și determină modificările care apar cu un corp fizic în timpul deformării sub influența forței externe și a cazului său limitativ - distrugerea. Limita de curgere a unui material este valoarea tensiunii (sau a forței pe unitatea de suprafață a secțiunii transversale) la care începe deformarea plastică.

Cunoașterea proprietăților mecanice ale unui material este extrem de importantă pentru proiectantul care le folosește în munca sa. Determină sarcina maximă pe o anumită parte sau structura în ansamblu, dacă este depășită, va începe deformarea plastică, iar structura își va pierde rezistența și forma și poate fi distrusă. Fractură sau deformare severă structuri de constructii sau elemente ale sistemelor de transport pot duce la distrugeri pe scară largă, pierderi materiale și chiar victime umane.

Limita de curgere este sarcina maximă care poate fi aplicată unei structuri fără deformare și defecțiune ulterioară. Cu cât valoarea sa este mai mare, cu atât este mai mare sarcina pe care o poate suporta structura.

În practică, limita de curgere a unui metal determină performanța materialului în sine și a produselor realizate din acesta la sarcini extreme. Oamenii au prezis întotdeauna sarcinile maxime pe care le pot suporta structurile pe care le ridică sau mecanismele pe care le creează. În primele etape ale dezvoltării industriei, acest lucru a fost determinat experimental și abia în secolul al XIX-lea a început crearea teoriei rezistenței materialelor. Problema fiabilității a fost rezolvată prin crearea unei marje de siguranță multiple, ceea ce a dus la structuri mai grele și mai scumpe. Astăzi nu este necesar să se creeze un model al unui produs la o anumită scară sau o dimensiune completă și să se efectueze experimente de distrugere sub sarcină - programele de calculator din familia CAE (ingineria de calcul) pot calcula cu precizie parametrii de rezistență. produs finitși prezice valori limităîncărcături

Valoarea limitei de curgere a materialului

Odată cu dezvoltarea fizicii atomice în secolul al XX-lea, a devenit posibil să se calculeze teoretic valoarea parametrului. Această lucrare a fost făcută pentru prima dată de Yakov Frenkel în 1924. Pe baza forței legăturilor interatomice, el, prin calcule complexe pentru acea perioadă, a determinat cantitatea de stres suficientă pentru a iniția deformarea plastică a corpurilor de formă simplă. Valoarea limitei de curgere a materialului va fi egală cu

τ τ =G/2π. , unde G este modulul de forfecare , tocmai ceea ce determină stabilitatea legăturilor dintre atomi.

Calculul valorii limitei de curgere

Presupunerea ingenioasă pe care Frenkel a făcut-o în calculele sale a fost că procesul de schimbare a formei materialului a fost considerat a fi condus de solicitările de forfecare. Pentru apariția deformării plastice, s-a presupus că este suficient ca o jumătate a corpului să se miște față de cealaltă într-o asemenea măsură încât să nu poată reveni la poziția inițială sub influența forțelor elastice.

Frenkel a sugerat că materialul testat în experimentul de gândire are o structură cristalină sau policristalină, caracteristică majorității metalelor, ceramicii și multor polimeri. Această structură presupune prezența unei rețele spațiale, în nodurile căreia atomii sunt aranjați într-o ordine strict definită. Configurația acestei rețele este strict individuală pentru fiecare substanță, la fel ca distanțele interatomice și forțele care leagă acești atomi. Astfel, pentru a provoca deformarea plastică prin forfecare, va fi necesar să se rupă toate legăturile interatomice care trec prin planul convențional care separă jumătățile corpului.

La o anumită valoare a tensiunii egală cu limita de curgere , legăturile dintre atomi din diferite jumătăți ale corpului vor fi rupte și un număr de atomi se vor deplasa unul față de celălalt cu o distanță interatomică fără posibilitatea de a reveni la poziția lor inițială. Cu o expunere continuă, o astfel de microschimbare va continua până când toți atomii unei jumătăți ai corpului pierd contactul cu atomii celeilalte jumătăți.

În macrocosmos, aceasta va provoca deformare plastică, va schimba forma corpului și, cu expunerea continuă, va duce la distrugerea acestuia. În practică, linia începutului distrugerii nu trece prin mijlocul corpului fizic, ci este situată în locațiile neomogenităților materiale.

Limita de curgere fizică

În teoria rezistenței, pentru fiecare material există mai multe valori ale acestei caracteristici importante. Limita de curgere fizică corespunde valorii tensiunii la care, în ciuda deformării, sarcina specifică nu se modifică deloc sau se modifică nesemnificativ. Cu alte cuvinte, aceasta este valoarea tensiunii la care corpul fizic se deformează, „curge”, fără a crește forța aplicată probei

Un număr mare de metale și aliaje, atunci când sunt testate la rezistența la tracțiune, demonstrează o diagramă de curgere cu un „plato de curgere” absent sau slab definit. Pentru astfel de materiale, ei vorbesc despre o limită de curgere condiționată. Este interpretată ca tensiunea la care are loc deformarea în interval de 0,2%.

Astfel de materiale includ aliaje de oțel aliat și cu conținut ridicat de carbon, bronz, duraluminiu și multe altele. Cu cât materialul este mai plastic, cu atât indicele său de deformare reziduală este mai mare. Exemple de materiale ductile includ cuprul, alama, aluminiul pur și majoritatea cu emisii scăzute de carbon aliaje de oțel.

Oțelul, ca material structural de masă cel mai popular, este sub o atenție deosebită a specialiștilor în calcularea rezistenței structurilor și a sarcinilor maxime admise asupra acestora.

În timpul funcționării lor, structurile din oțel sunt supuse unor sarcini combinate de întindere, compresie, încovoiere și forfecare care sunt mari ca dimensiuni și ca formă complexă. Încărcările pot fi dinamice, statice și periodice. În ciuda celor mai dificile condiții de utilizare, proiectantul trebuie să se asigure că structurile și mecanismele pe care le proiectează sunt durabile, fiabile și au un grad ridicat de siguranță atât pentru personal, cât și pentru populația din jur.

Prin urmare, oțelului se impune cerințe crescute privind proprietățile mecanice. Din punct de vedere eficiență economică, compania se străduiește să reducă secțiunea transversală și alte dimensiuni ale produselor sale pentru a reduce consumul de materiale și greutatea și astfel crește caracteristicile de performanță. În practică, această cerință trebuie să fie echilibrată cu cerințele de siguranță și fiabilitate stabilite în standarde și specificații tehnice.

Limita de curgere a oțelului este un parametru cheie în aceste calcule, deoarece caracterizează capacitatea unei structuri de a rezista la solicitări fără deformare sau defecțiune permanentă.

Influența conținutului de carbon asupra proprietăților oțelurilor

Conform principiului fizico-chimic al aditivității, modificarea proprietăților fizice ale materialelor este determinată de procentul de carbon. Creșterea proporției sale la 1,2% face posibilă creșterea rezistenței, durității, limitei de curgere și a capacității de prag la rece a aliajului. O creștere suplimentară a proporției de carbon duce la o scădere vizibilă a unor indicatori tehnici precum sudarea și deformarea finală în timpul operațiunilor de ștanțare. Oțelurile cu conținut scăzut de carbon prezintă cea mai bună sudabilitate.

Azotul și oxigenul din aliaj

Aceste nemetale de la începutul tabelului periodic sunt impurități nocive și reduc caracteristicile mecanice și fizice ale oțelului, cum ar fi pragul de vâscozitate, ductilitate și fragilitate. Dacă oxigenul este conținut în cantități mai mari de 0,03%, aceasta duce la îmbătrânirea accelerată a aliajului, iar azotul crește fragilitatea materialului. Pe de altă parte, conținutul de azot crește rezistența prin reducerea limitei de curgere.

Aditivi de mangan și siliciu

Un aditiv de aliere sub formă de mangan este utilizat pentru a dezoxida aliajul și pentru a compensa efectele negative ale impurităților nocive care conțin sulf. Datorită proprietăților sale similare cu fierul, manganul nu are un efect independent semnificativ asupra proprietăților aliajului. Conținutul tipic de mangan este de aproximativ 0,8%.

Siliciul are un efect similar este adăugat în timpul procesului de dezoxidare într-o fracțiune de volum care nu depășește 0,4%. Deoarece siliciul se degradează semnificativ astfel indicator tehnic, cum este sudabilitatea oțelului. Pentru oțelurile de structură destinate sudării, proporția acestuia nu trebuie să depășească 0,25%. Siliciul nu afectează proprietățile aliajelor de oțel.

Impurități de sulf și fosfor

Sulful este o impuritate extrem de dăunătoare și îi afectează negativ pe mulți proprietăți fizice si specificatii tehnice.

Conținutul maxim admis al acestui element sub formă de sulfiți fragili este de 0,06%

Sulful afectează ductilitatea, curgerea, rezistența la impact, rezistența la uzură și rezistența la coroziune a materialelor.

Fosforul are un dublu efect asupra proprietăților fizice și mecanice ale oțelurilor. Pe de o parte, cu o creștere a conținutului său, limita de curgere crește, dar pe de altă parte, vâscozitatea și fluiditatea scad simultan. De obicei, conținutul de fosfor variază de la 0,025 la 0,044%. Fosforul are un efect negativ deosebit de puternic cu o creștere simultană a fracției de volum a carbonului.

Aditivi de aliere în aliaje

Aditivii de aliere sunt substanțe introduse intenționat în compoziția unui aliaj pentru a modifica în mod intenționat proprietățile acestuia la nivelurile dorite. Astfel de aliaje se numesc oțeluri aliate. Performanțe mai bune pot fi obținute prin adăugarea simultană a mai multor aditivi în anumite proporții.

Aditivii obișnuiți sunt nichelul, vanadiul, cromul, molibdenul și alții. Cu ajutorul aditivilor de aliere, valorile limitei de curgere, rezistență, vâscozitate, rezistență la coroziune și mulți alți parametri și proprietăți fizice, mecanice și chimice sunt îmbunătățite.

Fluiditatea topiturii metalelor

Fluiditatea unei topituri de metal este capacitatea sa de a umple complet matrița de turnare, pătrunzând în cele mai mici cavități și detalii de relief. Precizia turnării și calitatea suprafeței sale depind de aceasta.

Proprietatea poate fi îmbunătățită prin plasarea topiturii sub presiune în exces. Acest fenomen fizic este utilizat la mașinile de turnat prin injecție. Această metodă poate crește semnificativ productivitatea procesului de turnare, poate îmbunătăți calitatea suprafeței și uniformitatea piesei turnate.

Testarea unei probe pentru a determina limita de curgere

Pentru efectuarea testelor standard se folosește o probă cilindrică cu diametrul de 20 mm și înălțimea de 10 mm, fixată într-un aparat de testare și supusă la tensiune. Distanța dintre marcajele aplicate pe suprafața laterală a probei se numește lungimea calculată. În timpul măsurătorilor, se înregistrează dependența alungirii relative a probei de mărimea forței de tracțiune.

Dependența este afișată sub forma unei diagrame de întindere condiționată. În prima etapă a experimentului, o creștere a forței determină o creștere proporțională a lungimii probei. La atingerea limitei de proporționalitate, diagrama trece de la liniară la curbilinie, iar relația liniară dintre forță și alungire se pierde. În această secțiune a diagramei, când forța este îndepărtată, proba poate reveni la forma și dimensiunile inițiale.

Pentru majoritatea materialelor, valorile limitei proporționale și ale limitei de curgere sunt atât de apropiate încât în ​​aplicațiile practice diferența dintre ele nu este luată în considerare.

2. Limită elastică

3. Rezistenta la curgere

4. Rezistenta la tractiune sau rezistenta la tractiune

5. Tensiune la rupere

Desen. 2.3 – Vedere a unei probe cilindrice după fractură (a) și modificarea zonei probei din apropierea locului de fractură (b)

Pentru ca diagrama să reflecte numai proprietățile materialului (indiferent de mărimea probei), aceasta este rearanjată în coordonate relative (stres-deformare).

ordonate arbitrare i-a punctele unei astfel de diagrame (Fig. 2.4) sunt obținute prin împărțirea valorilor forței de tracțiune (Fig. 2.2) la aria secțiunii transversale inițiale a probei (), iar abscisa prin împărțirea absolutului alungirea părții de lucru a probei cu lungimea inițială (). În special, pentru punctele caracteristice ale diagramei, ordonatele sunt calculate folosind formulele (2.3)…(2.7).

Diagrama rezultată este numită diagrama de tensiune convențională (Fig. 2.4).

Convenția diagramei constă în metoda de determinare a tensiunii nu din aria secțiunii transversale curente, care se modifică în timpul încercării, ci din cea originală - diagrama tensiunii păstrează toate caracteristicile diagramei de tracțiune inițiale. Tensiunile caracteristice din diagramă se numesc tensiuni limită și reflectă proprietățile de rezistență ale materialului testat. (formulele 2.3…2.7). Rețineți că limita de curgere a metalului prezentat în acest caz corespunde noii stări fizice a metalului și, prin urmare, este numită limită de curgere fizică.

Desen. 2.4 – Diagrama tensiunii

Din diagrama tensiunii (Fig. 2.4) reiese clar că

adică modul de întindere E este numeric egală cu tangentei unghiului de înclinare a secțiunii drepte inițiale a diagramei de tensiuni la axa absciselor. Acesta este sensul geometric al modulului de elasticitate de tracțiune.

Dacă relaționăm forțele care acționează asupra eșantionului în fiecare moment de încărcare la valoarea adevărată a secțiunii transversale la momentul corespunzător în timp, atunci obținem o diagramă a tensiunilor adevărate, notată adesea cu litera S(Fig. 2.5, linie continuă). Întrucât în ​​secțiunea diagramei 0-1-2-3-4 diametrul probei scade ușor (gătul nu s-a format încă), diagrama adevărată, în cadrul acestei secțiuni, coincide practic cu diagrama convențională (curba punctată) , trecand putin mai sus.

Desen. 2.5 – Diagrama tensiunii reale

Construirea secțiunii rămase a diagramei tensiunii reale (secțiunea 4-5 din Fig. 2.5) necesită măsurarea diametrului probei în timpul unei încercări de tracțiune, ceea ce nu este întotdeauna posibil. Există o modalitate aproximativă de a construi această secțiune a diagramei, bazată pe determinarea coordonatelor punctului 5() din diagrama adevărată (Fig. 2.5), corespunzătoare momentului rupturii probei. În primul rând, este determinată adevărata tensiune de rupere

unde este forța asupra probei în momentul ruperii acesteia;

– zona secțiunii transversale în gâtul probei în momentul ruperii.

A doua coordonată a punctului - deformarea relativă - include două componente - plastic adevărat - și elastic -. Valoarea poate fi determinată din condiția de egalitate a volumelor de material în apropierea punctului de rupere a probei înainte și după încercare (Fig. 2.3). Deci, înainte de testare, volumul de material al unei probe de unitate de lungime va fi egal cu , și după ruptură. Iată alungirea unui eșantion de unitate de lungime lângă locul fracturii. Din moment ce adevărata deformare este aici, și , Acea . Găsim componenta elastică conform legii lui Hooke: . Atunci abscisa punctului 5 va fi egală cu . Desenând o curbă netedă între punctele 4 și 5, obținem o vedere completă a diagramei adevărate.

Pentru materialele a căror diagramă de tracțiune din secțiunea inițială nu are un platou de curgere clar definit (vezi Fig. 2.6), limita de curgere este definită în mod convențional ca efort la care deformația reziduală este valoarea stabilită de GOST sau specificatii tehnice. Conform GOST 1497–84, această valoare a deformării reziduale este de 0,2% din lungimea măsurată a probei și puterea de probă este indicat prin simbolul – .

La testarea probelor de tracțiune, pe lângă caracteristicile de rezistență, se determină și caracteristicile de plasticitate, care includ extensie relativă eșantion după ruptură, definit ca raportul dintre creșterea lungimii probei după ruptură și lungimea inițială:

Și îngustare relativă , calculat prin formula

% (2.10)

În aceste formule - lungimea inițială calculată și aria secțiunii transversale a probei, respectiv, lungimea părții calculate și aria secțiunii transversale minime a probei după ruptură.

În loc de deformare relativă, în unele cazuri este folosită așa-numita deformare logaritmică. Deoarece lungimea eșantionului se modifică pe măsură ce eșantionul este întins, creșterea în lungime dl referiți nu la , ci la valoarea curentă . Dacă integrăm incrementele de alungiri când lungimea se schimbă de la la , obținem deformația logaritmică sau adevărată a metalului

Apoi – încordare la pauză (de ex. . = k) voi

.

De asemenea, trebuie luat în considerare faptul că deformarea plastică în eșantion are loc neuniform pe lungimea acesteia.

În funcție de natura metalului, acestea sunt împărțite în mod convențional în foarte ductile (cupru recoapt, plumb), ductile (oțeluri cu conținut scăzut de carbon), fragile ( Fontă cenușie), foarte fragil (fontă albă, ceramică).

Încărcare rata de aplicare deformarea V afectează aspectul diagramei și caracteristicile materialului. σ T Și σ V crește odată cu creșterea vitezei de sarcină. Deformațiile corespunzătoare rezistenței finale și punctului de rupere sunt reduse.

Mașinile convenționale asigură o rată de deformare

10 -2 ...10 -5 1/sec.

Pe măsură ce temperatura scade T isp pentru oţelurile perlitice creşte σ T si scade.

oteluri austenitice, AlȘi Ti aliajele reacţionează mai slab la coborâre T.

Odată cu creșterea temperaturii, se observă o modificare a deformației în timp la solicitări constante, de exemplu. apare fluaj și mai mult decât > σ , acestea< .

De obicei, există trei etape de fluaj. Pentru inginerie mecanică, etapa II prezintă cel mai mare interes, unde έ = const (etapă constantă de fluaj).

Pentru a compara rezistența la fluaj a diferitelor metale, a fost introdusă o caracteristică condiționată - limita de fluaj.

Limită de fluaj σ pl se numeşte efort la care deformarea plastică într-o anumită perioadă de timp atinge valoarea stabilită de condiţiile tehnice.

Alături de conceptul de „creep”, este cunoscut și conceptul de „relaxare a stresului”.

Procesul de relaxare a tensiunilor are loc sub deformari constante.

O probă sub sarcină constantă la mare T se poate fractura fie cu gât (fractură intercristalină ductilă), fie fără gât (fractură transcristalină fragilă). Primul este tipic pentru inferior Tși înalt σ .

Rezistența materialului la mare T evaluată prin limita de rezistență pe termen lung.

Limită de rezistență pe termen lung(σ dp) este raportul dintre sarcina la care un eșantion de tracțiune eșuează după o anumită perioadă de timp și aria secțiunii transversale inițiale.

La proiectarea produselor sudate care operează la înălțime T, sunt ghidate de următoarele valori atunci când se atribuie [ σ ]:

a) când T 260 o C pentru rezistența la tracțiune σ V ;

b) când T 420 o C pentru oțeluri carbon T < 470 о С для стали 12Х1МФ, T< 550 о С для 1Х18Н10Т – на σ T ;

c) la mai mare T până la limita rezistenței pe termen lung σ dp .

Pe lângă metodele de testare enumerate la sarcini statice, se efectuează și teste de încovoiere, torsiune, forfecare, compresie, strivire, stabilitate și duritate.

Proprietăți mecanice sub tensiune, precum și altele teste statice, poate fi împărțit în trei grupuri principale: caracteristicile de rezistență, plasticitate și vâscozitate. Proprietăți de rezistență - acestea sunt caracteristicile rezistenței materialului eșantion la deformare sau distrugere. Majoritatea caracteristicilor standard de rezistență sunt calculate din poziția anumitor puncte pe diagrama de tracțiune, sub forma unor tensiuni convenționale de tracțiune. În secțiunea 2.3, diagramele au fost analizate în coordonate efort adevărat - deformare adevărată, care caracterizează cel mai precis întărirea prin deformare. În practică, proprietățile mecanice sunt de obicei determinate din curbele de tracțiune primare în coordonate de alungire absolută a sarcinii, care sunt înregistrate automat pe banda grafică a mașinii de testare. Pentru policristale din diferite metale și aliaje, întreaga varietate a acestor curbe la temperaturi scăzute poate fi redusă, la o primă aproximare, la trei tipuri (Fig. 2.44).

Figura 2.44- Tipuri de curbe primare de tracțiune

Diagrama de tracțiune de tip I este tipică pentru probele care eșuează fără deformare plastică vizibilă. O diagramă de tip II este obținută prin întinderea probelor care sunt deformate uniform până la cedare. În cele din urmă, diagrama de tip III este tipică pentru eșantioanele care eșuează după gât ca urmare a concentrat deformare. O astfel de diagramă poate fi obținută și la întinderea probelor care eșuează fără gât (la tensiune la temperatură ridicată); complot bk aici poate fi întins foarte mult și aproape paralel cu axa de deformare. Creșterea sarcinii până la defecțiune (vezi Fig. 2.44, II) sau la maxim (vezi Fig. 2.44, III) poate fi netedă (linii continue) sau discontinue. În acest din urmă caz, în special, un dinte și un platou de curgere pot apărea pe diagrama de tracțiune (linia punctată în Fig. 2.44, III,III).

În funcție de tipul diagramei, se modifică setul de caracteristici care pot fi calculate din aceasta, precum și semnificația lor fizică. În fig. Se trasează 2,44 (diagrama tip III) puncte caracteristice, din ordonatele cărora le calculează caracteristici de rezistență

(σ i = P i/F 0).

După cum puteți vedea, în diagramele celorlalte două tipuri (vezi Fig. 2.44, eu,II) nu toate aceste puncte pot fi reprezentate grafic.

Limita de proporționalitate. Primul punct caracteristic din diagrama tensiunii este punctul p(vezi Fig. 2.45). Forța P nu determină valoarea limita de proporționalitate - stresul pe care materialul eșantionului îl poate suporta fără abatere de la legea lui Hooke.

Aproximativ valoarea lui P nu poate fi determinată de punctul în care începe divergența curbei de întindere și continuarea secțiunii drepte (Fig. 2.46).

Figura 2.46- Metode grafice pentru determinarea limitei de proporţionalitate.

Pentru a unifica metodologia și a crește acuratețea calculării limitei de proporționalitate, aceasta se evaluează ca o efort condiționată (σ nu), la care abaterea de la relația liniară dintre sarcină și alungire atinge o anumită valoare. De obicei, toleranța la determinarea σ nu este stabilită prin reducerea tangentei unghiului de înclinare format de tangenta la curba de întindere în punctul p cu axa de deformare, comparativ cu tangenta din sectiunea elastica initiala. Toleranța standard este de 50%, dar sunt posibile și toleranțe de 10% și 25%. Valoarea sa trebuie indicată în desemnarea limitei de proporționalitate - σ nu 50, σ nu 25, σ nu 10.

Cu o scară suficient de mare a diagramei de tensiune primară, valoarea limitei de proporționalitate poate fi determinată grafic direct pe această diagramă (vezi Fig. 2.46). În primul rând, continuați secțiunea dreaptă până când se intersectează cu axa de deformare în punct 0, care este luată drept noua origine a coordonatelor, excluzând astfel secțiunea inițială a diagramei distorsionată din cauza rigidității insuficiente a mașinii. Apoi puteți folosi două metode. Potrivit primei dintre ele, la o înălțime arbitrară în regiunea elastică, se restabilește o perpendiculară AB la axa de sarcină (vezi Fig. 2.46, A), așezați un segment de-a lungul acestuia BC=½ ABși trageți o linie OS.În acest caz, tan α′= tan α/1,5. Dacă acum tragem o tangentă la curba de întindere paralelă OS, apoi punctul de tangență R va determina sarcina necesară P nu.

În a doua metodă, o perpendiculară este coborâtă dintr-un punct arbitrar pe o secțiune dreaptă a diagramei KU(vezi Fig. 2.46, b) pe axa x și împărțiți-l în trei părți egale. Prin punct C iar originea coordonatelor desenează o linie dreaptă și paralelă cu aceasta - o tangentă la curba de întindere. Punct de atingere p corespunde efortului P nu (tg α′= tan α/1,5).

Limita de proporționalitate poate fi determinată cu mai multă acuratețe cu ajutorul manometrelor - dispozitive speciale pentru măsurarea deformațiilor mici.

Limită elastică. Următorul punct caracteristic din diagrama tensiunii primare (vezi Fig. 2.45) este punctul e. Ea corespunde sarcinii cu care condiționalul limită elastică - tensiunea la care alungirea permanentă atinge o valoare dată, de obicei 0,05%, uneori mai puțin - până la 0,005%. Toleranța utilizată în calcul este indicată în desemnarea limitei elastice condiționate σ 0,05, σ 0,01 etc.

Limita elastică caracterizează solicitarea la care apar primele semne de deformare macroplastică. Datorită toleranței mici pentru alungirea permanentă, chiar și σ 0,05 este dificil de determinat cu suficientă precizie din diagrama de tracțiune primară. Prin urmare, în cazurile în care nu este necesară o precizie ridicată, limita elastică este considerată egală cu limita de proporționalitate. Dacă este necesară o evaluare cantitativă precisă a σ 0,05, atunci se folosesc jauze de deformare. Metoda de determinare a σ 0,05 este în multe privințe similară cu cea descrisă pentru σ nu, dar există o diferență fundamentală. Deoarece la determinarea limitei elastice, toleranța este stabilită de mărimea deformației reziduale, după fiecare pas de încărcare este necesar să se descarce proba la solicitarea inițială σ 0 ≤ 10% din σ 0,05 așteptată și apoi se măsoară doar alungirea folosind un tensiometru.

Dacă scara de înregistrare a diagramei de tracțiune de-a lungul axei de alungire este de 50:1 sau mai mult și de-a lungul axei de încărcare ≤10 MPa per 1 mm, este permisă o determinare grafică de σ 0,05. Pentru a face acest lucru, un segment este așezat de-a lungul axei extensiilor de la originea coordonatelor Bine= 0,05 l 0 /100 și printr-un punct LA trageți o linie dreaptă paralelă cu secțiunea dreaptă a diagramei (Fig. 2.47). Punct ordonat e va corespunde dimensiunii încărcăturii R 0,05, care determină limita elastică condiționată σ 0,05 = P 0,05 /F 0.

Limita de randament. Dacă în diagramă nu există tensiune dentară și platou de cedare, calculați limita de curgere condiționată - efortul la care alungirea permanentă atinge o valoare dată, de obicei 0,2%. În consecință, limita de curgere condiționată este notată σ 0,2. După cum puteți vedea, această caracteristică diferă de limita elastică condiționată doar în valoarea toleranței. Limită

Curgerea caracterizează tensiunea la care are loc o tranziție mai completă la deformarea plastică.

Cea mai precisă estimare a valorii lui σ 0,2 poate fi făcută folosind extensometre. Deoarece toleranța de alungire pentru calcularea rezistenței la rezistență este relativ mare, se determină adesea grafic dintr-o diagramă tensiune-deformare dacă aceasta din urmă este înregistrată la o scară suficient de mare (cel puțin 10:1 de-a lungul axei deformației). Acest lucru se face în același mod ca la calcularea limitei elastice (vezi Fig. 2.47), doar un segment Bine = 0,2l 0 /100.

Limitele condiționate de proporționalitate, elasticitate și fluiditate caracterizează rezistența unui material la deformații mici. Mărimea lor diferă ușor de solicitările reale care îndeplinesc toleranțele de deformare corespunzătoare. Semnificația tehnică a acestor limite este de a estima nivelurile de stres sub care

aceasta sau acea parte poate funcționa fără a fi supusă deformării reziduale (limită de proporționalitate) sau deformarii cu o valoare admisibilă mică determinată de condițiile de funcționare (σ 0,01, σ 0,05, σ 0,2 etc.). Având în vedere că în tehnologia modernă posibilitatea modificărilor reziduale ale dimensiunilor pieselor și structurilor este din ce în ce mai limitată, devine evidentă nevoia urgentă de cunoaștere precisă a limitelor proporționalității, elasticității și fluidității, care sunt utilizate pe scară largă în calculele de proiectare.

Sensul fizic al limitei de proporționalitate a oricărui material este atât de evident încât nu necesită discuții speciale. Într-adevăr, σ nu pentru un monocristal și policristal, un metal omogen și un aliaj heterofazic este întotdeauna solicitarea maximă până la care legea lui Hooke este respectată în timpul tensiunii și deformarea macroplastică nu este respectată. Trebuie amintit că înainte de a se ajunge la σ nu, deformarea plastică poate începe în granulele individuale ale unei probe policristaline (dacă au o orientare favorabilă și prezența concentratoarelor de stres), ceea ce, totuși, nu va duce la o alungire vizibilă a întreaga probă până când majoritatea boabelor sunt afectate de deformare.

Stadiile inițiale de macroalungire a probei corespund limitei elastice. Pentru un monocristal orientat favorabil, acesta ar trebui să fie aproape de efortul critic de forfecare. Desigur, pentru diferite orientări cristalografice ale unui singur cristal, limita elastică va fi diferită. Într-un policrist cu granulație suficient de fină în absența texturii, limita elastică este izotropă, aceeași în toate direcțiile.

Natura limitei de curgere condiționată a unui policristal este în principiu similară cu natura limitei elastice. Dar puterea de curgere este cea mai comună și caracteristică importantă rezistenta metalelor si aliajelor la mici deformari plastice. Prin urmare, semnificația fizică a limitei de curgere și dependența acesteia de diverși factori trebuie analizate mai detaliat.

O tranziție lină de la deformarea elastică la cea plastică (fără dinte sau platou de curgere) se observă în timpul întinderii unor astfel de metale și aliaje în care există suficiente un numar mare de luxații mobile, fără fixare, în starea inițială (înainte de începerea testului). Tensiunea necesară pentru a iniția deformarea plastică a policristalelor acestor materiale, estimată prin limita de curgere condiționată, este determinată de forțele de rezistență la mișcarea dislocațiilor în interiorul boabelor, de ușurința transferului deformării peste limitele acestora și de dimensiunea boabele.

Aceiași factori determină valoarea puterea fizică de curgereσ t - efort la care proba este deformată sub acțiunea unei sarcini de întindere aproape constantă P t (vezi Fig. 2.45, zona de randament pe curba punctată). Limita de curgere fizică este adesea numită cea inferioară, spre deosebire de limita de curgere superioară, calculată din sarcina corespunzătoare vârfului dintelui de curgere. Și(vezi fig. 2.45): σ t.v = P televizor/ F 0 .

Formarea unui dinte și a unui platou de randament (așa-numitul fenomen de cedare bruscă) arată după cum urmează. Întinderea elastică duce la o creștere lină a rezistenței la deformare până la σ t.v, apoi are loc o scădere relativ bruscă a tensiunii la σ t.n și deformarea ulterioară (de obicei 0,1-1%) are loc cu o forță externă constantă - se formează un platou de curgere . În timpul alungirii corespunzătoare acestei zone, proba la lungimea de lucru este acoperită cu dungi caracteristice Cernov-Luders, în care este localizată deformarea. Prin urmare, mărimea alungirii la punctul de curgere (0,1 - 1%) este adesea numită tulpină Chernov-Luders.

Fenomenul de fluiditate bruscă se observă în multe materiale metalice importante din punct de vedere tehnic și, prin urmare, are o mare semnificație practică. De asemenea, prezintă un interes teoretic general din punctul de vedere al înțelegerii naturii stadiilor inițiale ale deformării plastice.

În ultimele decenii, s-a demonstrat că un dinte și un platou de randament pot fi obținute prin întinderea monocristalelor și policristalelor de metale și aliaje cu diferite rețele și microstructuri. Cel mai adesea, fluiditatea bruscă este înregistrată la testarea metalelor cu o rețea bcc și a aliajelor bazate pe acestea. Desigur, semnificația practică a fluidității abrupte pentru aceste metale este deosebit de mare și majoritatea teoriilor au fost dezvoltate și în legătură cu caracteristicile acestor metale. Utilizarea conceptelor de dislocare pentru a explica randamentul brusc a fost una dintre primele și foarte fructuoase aplicații ale teoriei dislocației.

Inițial, formarea unui dinte și a unui platou de randament în metalele bcc a fost asociată cu blocarea eficientă a luxațiilor de către impurități. Se știe că într-o rețea bcc, atomii de impurități interstițiale formează câmpuri elastice de stres care nu au simetrie sferică și interacționează cu dislocații de toate tipurile, inclusiv cu cele pur șurub. Chiar și la concentrații scăzute [<10 -1 - 10 -2 % (ат.)] примеси (например, азот и углерод в железе) способны блокировать все дислокации, имеющиеся в металле до деформации. Тогда, по Коттреллу, для начала движения дислокаций и для начала пластического течения необходимо приложить напряжение, гораздо большее, чем это требуется для перемещения дислокаций, свободных от примесных атмосфер. Следовательно, вплоть до момента достижения верхнего предела текучести заблокированные дислокации не могут начать двигаться, и деформация идет упруго. После достижения σ тв по крайней мере часть этих дислокаций (расположенных в плоскости действия максимальных касательных напряжений) отрывается от своих атмосфер и начинает перемещаться, производя пластическую деформацию. Последующий спад напряжений - образование зуба текучести - происходит потому, что свободные от примесных атмосфер и более подвижные дислокации могут скользить некоторое время под действием меньших напряжений σ тн пока их торможение не вызовет начала обычного деформационного упрочнения.

Corectitudinea teoriei lui Cottrell este confirmată de rezultatele următoarelor experimente simple. Dacă deformați o probă de fier, de exemplu până la obiect A(Fig. 2.48), descărcați-l și întindeți-l imediat din nou, apoi nu va apărea un platou de dinte și de randament, deoarece după întinderea preliminară în noua stare inițială, proba conținea multe dislocații mobile lipsite de atmosfere de impurități. Dacă acum după descărcare din punct A păstrați proba la temperatura camerei sau ușor ridicată, de ex. dați timp pentru condensarea impurităților pe luxații, apoi cu o nouă întindere, un dinte și o zonă de cedare vor apărea din nou pe diagramă.

Astfel, teoria lui Cottrell asociază schimbarea bruscă de afaceri cu imbatranire prin deformare - fixarea luxarilor de catre impuritati.

Ipoteza lui Cottrell că, după deblocare, deformarea plastică, cel puțin inițial, este realizată prin alunecarea acestor luxații „vechi”, dar acum eliberate, s-a dovedit a nu fi universală. Pentru o serie de materiale, s-a stabilit că dislocațiile inițiale pot fi atât de ferm fixate încât deblocarea lor nu are loc și deformarea plastică la locul de curgere are loc datorită mișcării luxațiilor nou formate. În plus, formarea unui dinte și a unui platou de randament se observă în cristale fără dislocare - „muștați”. În consecință, teoria lui Cottrell descrie doar un caz particular, deși important, de schimbare bruscă de afaceri.

Baza teoriei moderne a randamentului omonim, care nu poate fi încă considerată definitiv stabilită, este aceeași poziție prezentată de Cottrell: dintele și platoul de randament sunt cauzate de o creștere bruscă a numărului de luxații mobile la începutul curgere de plastic. Aceasta înseamnă că pentru apariția lor trebuie îndeplinite două condiții: 1) în proba inițială numărul de luxații libere trebuie să fie foarte mic și 2) trebuie să poată crește rapid printr-un mecanism sau altul chiar la începutul deformării plastice. .

Lipsa luxațiilor mobile din proba originală poate fi asociată fie cu perfecțiunea ridicată a substructurii sale (de exemplu, în mustăți), fie cu fixarea majorității luxațiilor existente. Potrivit lui Cottrell, o astfel de fixare poate fi realizată prin formarea de atmosfere de impurități. Sunt posibile și alte metode de fixare, de exemplu, cu particule din a doua fază.

Numărul de dislocații mobile poate crește brusc:

1) Datorită deblocării dislocațiilor fixate anterior (separarea de atmosfere de impurități, ocolirea particulelor prin alunecare transversală etc.);

2) Prin formarea de noi luxaţii;

3) Prin reproducerea lor ca urmare a interacțiunii.

În policristale, limita de curgere depinde în mare măsură de mărimea granulelor. Limitele cerealelor servesc ca bariere eficiente în calea dislocațiilor în mișcare. Cu cât boabele sunt mai fine, cu atât aceste bariere apar mai des pe calea dislocațiilor de alunecare și sunt necesare solicitări mai mari pentru a continua deformarea plastică deja în stadiile inițiale. Ca rezultat, pe măsură ce boabele se rafinează, puterea de curgere crește. Numeroase experimente au arătat că limita de curgere mai mică

σ t.n = σ i + K y d -½ , (2.15)

unde σ i și K y- constantele materialelor la o anumită temperatură de testare și viteză de deformare; d- dimensiunea granulelor (sau subgranulele cu structură poligonizată).

Formula 2.15, numită ecuația Petch-Hall după primii săi autori, este universală și descrie bine efectul mărimii granulelor nu numai asupra σ sof, ci și asupra limitei de curgere condiționată și, în general, a oricărei solicitări în regiunea de deformare uniformă. .

Interpretarea fizică a ecuației empirice (2.15) se bazează pe ideile deja luate în considerare despre natura fluidității bruște. Constanta σ i este considerată ca efortul necesar pentru a deplasa dislocațiile în interiorul granulului și termenul K y d -½- ca tensiunea necesară pentru a antrena sursele de dislocare în boabele învecinate.

Valoarea lui σ i depinde de forța Peierls-Nabarro și de obstacolele din calea alunecării dislocațiilor (alte dislocații, atomi străini, particule din faza a doua etc.). Astfel, σ i - „stresul de frecare” - compensează forțele pe care dislocațiile trebuie să le depășească atunci când se deplasează în interiorul bobului. Pentru a determina experimental σ i, puteți utiliza diagrama de tracțiune primară: valoarea lui σ i corespunde punctului de intersecție al curbei de tracțiune extrapolat în regiunea de deformații mici dincolo de zona de curgere cu secțiunea dreaptă a acestei curbe (Fig. 2.49, A). Această metodă de estimare a σ i se bazează pe ideea că aria ius Diagramele de tracțiune sunt rezultatul naturii policristaline a probei întinse; dacă ar fi un singur cristal, atunci curgerea de plastic ar începe la punctul i .

Figura 2.49. Determinarea tensiunii de curgere σ i din diagrama de tracțiune (a) și a dependenței limitei de curgere mai scăzută de dimensiunea granulelor (b).

A doua modalitate de a determina σ i este de a extrapola linia dreaptă σ așa-numita - d -½ la valoare d -½ = 0 (vezi Fig. 2.49, b). Aici se presupune direct că σ i este limita de curgere a unui singur cristal cu aceeași structură intragranulară ca și policristalele.

Parametru K y caracterizează panta dreptei σ t - d- ½. Potrivit lui Cottrell,

K y = σ d(2l) ½,

unde σ d tensiunea necesară pentru a debloca dislocațiile dintr-un bob adiacent (de exemplu, separarea de atmosfera de impurități sau de limita de grăunte); l- distanta de la limita de cereale pana la cea mai apropiata sursa de dislocare.

Prin urmare, K y determină dificultatea transferului deformării de la bob la bob.

Efectul curgerii bruște depinde de temperatura de testare. Modificarea acesteia afectează atât înălțimea dintelui de curgere, lungimea platformei, cât și, cel mai important, valoarea limitei de curgere (fizică) inferioară. Pe măsură ce temperatura testului crește, înălțimea dintelui și lungimea platoului de randament scad de obicei. Acest efect, în special, se manifestă în timpul tensiunii metalelor bcc. Excepție fac aliajele și intervalele de temperatură în care încălzirea duce la blocarea crescută a luxațiilor sau dificultăți în generarea lor (de exemplu, în timpul îmbătrânirii sau comenzii).

Limita de curgere mai scăzută scade în special la temperaturi când gradul de blocare a dislocării se modifică semnificativ. În metalele bcc, de exemplu, o dependență accentuată de temperatură a σ t.n este observată sub 0,2 T pl, care este tocmai ceea ce determină tendința lor de a se rupe fragile la temperaturi scăzute (vezi secțiunea 2.4). Inevitabilitatea dependenței de temperatură a lui σ tn rezultă din semnificația fizică a componentelor sale. Într-adevăr, σ i ar trebui să depindă de temperatură, deoarece tensiunile necesare pentru a depăși forțele de frecare scad odată cu creșterea temperaturii din cauza ușurinței de ocolire a barierelor prin alunecare laterală și târâre. Gradul de blocare a luxațiilor, care determină valoarea K yși, prin urmare, termenul K y d -½în formula (2.15), ar trebui, de asemenea, să scadă odată cu încălzirea. De exemplu, în metalele bcc acest lucru se datorează estompării atmosferelor de impurități deja la temperaturi scăzute din cauza mobilității mari de difuzie a impurităților interstițiale.

Limita de curgere nominală depinde de obicei mai puțin de temperatură, deși scade în mod natural atunci când metalele pure și aliajele sunt încălzite, în care nu au loc transformări de fază în timpul testării. Dacă au loc astfel de transformări (în special îmbătrânirea), atunci natura modificării limitei de curgere odată cu creșterea temperaturii devine ambiguă. În funcție de modificările structurii, aici este posibilă o scădere sau o creștere, precum și o dependență complexă de temperatură. De exemplu, o creștere a temperaturii de întindere a unui aliaj preîntărit - o soluție solidă suprasaturată - duce inițial la o creștere a limitei de curgere până la un anumit maxim, corespunzător celui mai mare număr de precipitații coerente dispersate ale produselor de descompunere ale soluția solidă care apare în timpul procesului de testare și cu o creștere suplimentară a temperaturii σ 0,2 va scădea din cauza pierderii coerenței particulelor cu matricea și coagulării acestora.

Rezistență la tracțiune. După trecerea punctului sÎn diagrama de tracțiune (vezi Fig. 2.45), proba suferă o deformare plastică intensă, care a fost discutată anterior în detaliu. Până la punctul „c”, partea de lucru a probei își păstrează forma inițială. Alungirea aici este distribuită uniform pe lungimea efectivă. În punctul „în ” această macro-uniformitate a deformării plastice este perturbată. Într-o parte a eșantionului, de obicei lângă dispozitivul de creștere a tensiunii, care era deja în starea inițială sau s-a format în timpul tensiunii (cel mai adesea la mijlocul lungimii calculate), începe localizarea deformării. Ea corespunde unei îngustări locale a secțiunii transversale a probei - formarea unui gât.

Posibilitatea unei deformări uniforme semnificative și a „întârzierii” momentului începerii formării gâtului în materialele plastice se datorează întăririi la deformare. Dacă nu ar fi acolo, atunci gâtul ar începe să se formeze imediat după atingerea punctului de curgere. În stadiul de deformare uniformă, creșterea tensiunii de curgere din cauza călirii prin deformare este complet compensată de alungirea și îngustarea părții calculate a probei. Când creșterea tensiunii datorată unei scăderi a secțiunii transversale devine mai mare decât creșterea tensiunii din cauza călirii prin deformare, uniformitatea deformării este perturbată și se formează un gât.

Gâtul se dezvoltă din punctul „b” până la distrugerea punctului k(vezi Fig. 2.45), în același timp, forța care acționează asupra probei scade. La sarcina maxima ( P c, fig. 2.44, 2.45) pe diagrama primară de tracțiune se calculează rezistență temporară(adesea numit rezistență la tracțiune sau rezistența la tracțiune condiționată)

σ în = Pb/F 0 .

Pentru materialele care se prăbușesc odată cu formarea unui gât, σ in este tensiunea condiționată care caracterizează rezistența la deformarea uniformă maximă.

Rezistența finală a unor astfel de materiale σ nu determină. Acest lucru se datorează a două motive. În primul rând, σ este semnificativ mai mică decât tensiunea reală Sîn, acționând în eșantion în momentul atingerii punctului „c” . În acest moment, alungirea relativă a atins deja 10-30%, aria secțiunii transversale a probei F V „F 0 . De aceea

S V =P V /F V > σ în = P V / F 0 .

Dar așa-zisul adevărat punct de rupere S De asemenea, c nu poate servi ca o caracteristică a rezistenței finale, deoarece dincolo de punctul „c” din diagrama de tracțiune (vezi Fig. 2.45), adevărata rezistență la deformare continuă să crească, deși forța scade. Cert este că acest efort pe un site în k este concentrat pe secțiunea transversală minimă a probei în gât, iar aria sa scade mai repede decât forța.

Figura 2. 50- Diagrama efortului de tracțiune adevărat

Dacă rearanjam diagrama tensiunii primare în coordonate S-e sau S-Ψ(Fig. 2.50), atunci rezultă că S creste continuu cu deformarea pana in momentul distrugerii. Curba din fig. 2.50. permite o analiză riguroasă a proprietăților de întărire și rezistență la tracțiune. Diagrama de tensiuni adevărate (vezi Fig. 2.50) pentru materialele care nu reușesc să formeze un gât are o serie de proprietăți interesante. În special, continuarea secțiunii drepte a diagramei dincolo de punctul „c” până la intersecția cu axa tensiunii ne permite să estimăm aproximativ valoarea lui σ in și extrapolarea secțiunii drepte la punctul c, corespunzător lui Ψ = 1 (100%) dă S c= 2S V.

Diagrama din fig. 2.50 este diferit din punct de vedere calitativ de curbele de călire prin deformare considerate anterior, întrucât la analizarea acestora din urmă am discutat doar stadiul deformarii uniforme, la care se păstrează modelul de tensiune uniaxial, adică. Anterior, au fost analizate diagrame ale tensiunilor reale corespunzătoare curbelor de tip II.

În fig. 2.50 este clar că S in si mai ales σ in este mult mai mica adevărată rezistență la rupere (Sk =Pk/Fk) definit ca raportul dintre forța în momentul defectării și aria secțiunii transversale maxime a probei în punctul de defectare F k. S-ar părea că amploarea S k este cea mai bună caracteristică rezistența maximă a materialului. Dar este și condiționat. Calcul S k presupune că în momentul defectării operează o schemă de tensiune uniaxială în gât, deși de fapt acolo apare o stare de efort volumetrică, care în general nu poate fi caracterizată printr-o singură solicitare normală (de aceea deformarea concentrată nu este luată în considerare în teoriile călirii prin deformare). sub tensiune uniaxiala). De fapt, S k determină doar o anumită tensiune longitudinală medie în momentul distrugerii.

Semnificația și semnificația rezistenței temporare, precum și S in si S k se modifică semnificativ la trecerea de la diagrama de tensiune considerată (vezi Fig. 2.44, III) la primele două (vezi Fig. 2.44, I, II). În absența deformării plastice (vezi Fig. 2.44, eu) σ în ≈ Sîn ≈ S k. În acest caz, sarcina maximă înainte de defecțiune este P c determină așa-numita rezistență reală la rupere sau rezistența la fragilitate a materialului. Aici σ nu mai este o caracteristică condiționată, ci o caracteristică care are o anumită semnificație fizică, determinată de natura materialului și de condițiile ruperii fragile.

Pentru materialele cu ductilitate relativ scăzută care dau curba efort-deformare prezentată în Fig. 2.44, II, σ in este stresul condiționat în momentul distrugerii. Aici S V = S kși caracterizează destul de strict rezistența finală a materialului, deoarece proba este deformată uniform în condiții de tensiune uniaxială până la rupere. Diferența dintre valorile absolute ale lui σ în și S depinde de alungirea înainte de rupere nu există o relație direct proporțională între ele.

Astfel, în funcție de tipul și chiar de caracteristicile cantitative ale diagramelor de tensiune de un tip, semnificația fizică a lui σ în, S in si S k se poate schimba semnificativ și uneori fundamental. Toate aceste tensiuni sunt adesea clasificate ca caracteristici ale rezistenței finale sau ale rezistenței la rupere, deși într-un număr de cazuri importante σ în și S de fapt, ele determină rezistența la deformare plastică semnificativă, și nu la distrugere. Prin urmare, când se compară σ în, S in si S k diferite metale și aliaje, trebuie întotdeauna să se țină cont de semnificația specifică a acestor proprietăți pentru fiecare material, în funcție de tipul diagramei tensiuni-deformații ale acestuia.