Для каждого материала существует установленная ГОСТом сила вдавливания F

Для стали и чугуна F = 3000 кгс

Для сплава меди, никеля, алюминия F = 1000 кгс

Для мягких сплавов F = 250 кгс

Твёрдость материала по Бринелю рассчитывают исходя из площади отпечатка.

[HB] = 1Па

Для стали ~ 0,4 HB

Для бронзы, латуни ~ 0,25 HB

Влияние энергии химических связей на свойства материалов

Свойства материалов определяются химическим составом и внутренним строением. При одном и том же хи­мическом составе свойства материалов могут существенно отличаться в зависимости от условий их получения и эксплуатации.

Так как любой материал представляет собой продукт вза­имодействия огромного количества атомов одного или несколь­ких химических элементов, то его свойства прежде всего зави­сят от типа и энергии химической связи составляющих атомов. При любом характере химического сродства частицы тела стремятся расположиться в таком по­рядке и на таких расстояниях, которые обусловливают относи­тельный минимум энергии всей системы, иными словами, ее наиболее устойчивое в данных условиях состояние. Эти равновесные расстояния между частицами обозначим R₀.

При очень больших взаимных расстояниях атомы практически не взаимодействуют друг с другом, так что энер­гию их можно считать постоянной и равной нулю. При уменьшении расстояния между атомами проявляются силы притяже­ния и потенциальная энергия понижается. При некотором равновесном расстоянии R=Ro энергия W принимает мини­мальное значение, а результирующая сила взаимодействия F = dW/dR становится равной нулю. При дальнейшем сближе­нии частиц возникнут силы отталкивания, так как внеш­ние слои атомов, заряженные отрицательно, придут в тесное соприкосновение.

Общая зависимость изменения энергии W и сил взаимодей­ствия F пары частиц в молекулах вы­ражается кривой взаимодействия, приведенной на рисунке.

В условиях равновесия частицы располагаются в миниму­мах потенциальной кривой — в «потенциальных ямах». Величина W_min характеризует энергию связи частиц, т. е. ту энергию, которую нужно затратить, чтобы разобщить структур­ные элементы тела. Максимум величины F представляет собой теоретическое усилие, которое может выдержать тело при упругом растяжении. Величина ΔW — энергия перехода ча­стиц из одного относительно устойчивого состояния в дру­гое.

Знание кривых взаимодей­ствия позволяет судить о ряде общих свойств тел и особенностях их поведения. Чем ниже расположена точка W_min, тем выше энергия связи частиц те­ла, выше его температура плавления, больше модуль упруго­сти, меньше температурный коэффициент линейного расшире­ния и т. д. Хотя точный вид кривой взаимодействия зависит от конкретных свойств взаимодействующих частиц и от направления, в котором она исследуется, однако в общих чертах ее вид определяется типом и энергией химической связи. При воздействии на тело силовых полей частицы тела смещаются из равновесных положений. При этом могут наблюдаться три случая.

1. Ни одна частица не перемещается через вершины потен­циальных кривых (не переходит через потенциальные барьеры). Тогда мы имеем дело с упругими безгистерезисными явлени­ями, при которых состояние системы при данном значении поля одинаково как в процессе его приложения (при возрастании напряженности поля), так и в процессе уменьшения напряжен­ности поля.

2. Некоторые слабо связанные или все частицы силовое поле перебрасывает через потенциальные барьеры из одного относи­тельно устойчивого состояния в другое, но после снятия внеш­него воздействия под влиянием внутренних напряжений или теплового движения устанавливается статистически первона­чальное состояние. Это бывает тогда, когда осуществляются переходы через потенциальные барьеры, сравниваемые по порядку со средней тепловой энергией частиц. В этом слу­чае происходят упруго-гистерезисные процессы. Такие процессы характеризуют замкнутыми кривыми, называемыми циклами гистерезиса.

3. Если поле перемещает частицы через достаточно высокие потенциальные барь­еры, то при снятии внешнего воздействия проявляется остаточный эффект. Он наблюдается при пластической деформации металлов, получении постоянных магнитов, электретов и т. д.

Если во втором или третьем случае, т. е. при переходе через потенциальные барьеры, процесс идет последовательно, то после перехода возникают «пробойные явления» — электрический ток, течение материала и т. п.

Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг

Рассмотрим кристалл

Тогда общая сила (где N – количество пар электронов и ионов)

a – период кристаллической решётки

Тогда

Отсюда - прочность кристалла в зависимости от периода

кристаллической решётки

Основным механизмом пластического течения кристаллов является сдвигообразование. Долгое время считалось, что такое сдвигообразование происходит путем жесткого смещения одной части кристалла от­носительно другой одновременно по всей плоскости скольжения SS.

В неискаженной решетке атомы двух соседних параллельных пло­скостей занимают положения равновесия, отвечающие минимуму по­тенциальной энергии (рис. а). Силы взаимодействия между ними равны нулю. При постепенном смещении одной атомной плоскости от­носительно другой возникают касательные напряжения, препятст­вующие сдвигу и стремящиеся восстановить нарушенное равновесие (рис. б). Критическое скалывающее напряжение должно составлять десятую долю от модуля сдвига. В таблице приведено τ_к для ряда метал­лических кристаллов, определенное из опыта и вычисленное теоре­тически. Сравнение этих величин показывает, что реальная прочность кристаллов на сдвиг на 3—4 порядка меньше теоретически вычисленной прочности этих кристаллов. Это свидетельствует о том, что сдвиг в кристаллах происходит не путем жесткого смещения атомных плос­костей друг относительно друга, а осуществляется таким механиз­мом, при котором в каждый момент имеет место смещение относи­тельно малого количества атомов. Это привело к развитию дис­локационной теории пластического течения кристаллов.

γ- деформация сдвига

- напряжение сдвига

G – модуль сдвига

Металл	τк, 10^-7Па (эксперимен-таль­ное)	G, 10^-7 Па	τк, 10^-7Па (теоретическое)
G/2π	G/30
Медь Серебро Никель Железо Магний Цинк Кадмий	0,10 0,06 0,58 2,90 0,08 0,09 0,06

Лекция 4

Дата добавления: 2014-01-11