Упругая и пластическая деформация металлов

Большая часть механических свойств металлов и сплавов выражают через уровень напряжений, возникающих в изделии при различных схемах нагружения. В самом простом определении напряжение равно (рис.3,а) величине, определяемой отношением:

S= P\F; где:

S-напряжение;

P-действующая сила;

F –площадка, перпендикулярная оси образца, вдоль которой действует сила.

В системе СИ напряжения (S или Ϭ) измеряют в ньютонах (меганьютонах) на квадратный метр –Н\м² (МН\м²). В технической литературе могут использовать единицы –1 кгс\мм² =9,8х10⁶ Н\м² =9,8 МН\м²=10 МН\м².

Схематически можно представить образец (цилиндр –рис.3,а), на который действует растягивающая сила вдоль его оси. Мысленно отбросив одну часть образца можно заменить действие силы внутренними силами (рис.3,б). При испытаниях и в расчетах используют составляющие (нормальную и касательную) действующей силы на образец (она не перпендикулярна площадке на которую действует – рис.4). Это связано с тем, что в одних условиях деформации и разрушения определяющими являются касательные напряжения (пластическая деформация, разрушение срезом), а в других нормальные напряжения (разрушение отрывом).

Нормальнные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные «+») и сжимающие (отрицательные «-»). Напряжения делят на истинные и условные. Принято, что истинные напряжения обозначаются символом S (нормальные) и t (касательные), а условные – Ϭ (нормальные) и t (касательные), Под воздействием напряжений все материалы деформируются – изменяют форму и размеры. Деформации, исчезающие после прекращения действия напряжения, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия напряжений – остаточными.

Рис.3 –Схемы к определению напряжений

Рис.4 –Разложение полного напряжения на нормальную и касательную составляющую

Остаточная деформация, которая происходит без разрушения материала называется пластической. Пластическая деформация является результатом необратимого коллективного смещения атомов в кристаллической решетке материала за счет движения дислокаций. Движение дислокаций может происходить по механизмам скольжения или двойникования. Итогом такого перемещения атомов является смещение отдельных частей кристалла относительно друг друга (рис.) или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига (рис.).

Испытания на твердость материалов также получили широкое распространение. При таких испытаниях чаще всего определяют характеристики сопротивления материала к деформации при взаимодействии образца с вдавливаемым телом (индентором). Основная масса таких методов осуществляется в статических условиях.

Испытания на крип или ползучесть (определение величины деформации в функции времени при разных напряжениях в металле образца) и длительную прочность (время до разрушения под действием различных напряжений) проводят для определенной группы материалов и изделий в условиях повышенных температур для оценки их жаропрочности.

При действии на металл внешней нагрузки он может вести себя как упругое или как пластичное тело. В условиях пластической деформации общая (полная) деформация тела содержит как пластическую составляющую, так и упругую, которая исчезает после снятия нагрузки.

Наиболее часто на практике используют статическое испытание металлов с одноосным растяжением, когда к образцу прикладывается внешняя нагрузка (рис.3; 5). До определенного уровня прилагаемого напряжения металл образца будет деформироваться упруго, т.е. будет сохраняться закон Гука, а свыше определенного (критического) уровня (точка р на рис.5) в этом металле одновременно с упругой будет происходить и пластическая деформация (точки e, s на рис.5). Закон Гука определяет поведение металлов в условиях приложенных напряжений при упругой деформации – прямая пропорциональность между напряжением и упругой деформацией при смещении атомов в решетке из положений равновесия:

e=Ϭ\Е, где:

e =Ñl\l – относительная упругая деформация (l - начальная длина образца);

Ϭ- напряжение, которое возникает в поперечном сечении образца;

Е - модуль упругости, равный тому напряжению, при котором относительная деформация равна единице, а абсолютное удлинение образца –первоначальной длине.

Деформация считается упругой, если она исчезает после снятия внешней нагрузки на образец (т.е. образец после упругой деформации и ее снятия возвращается в первоначальное положение без остаточной деформации).

Рис.5 -Характерные точки на диаграмме растяжения, по которым определяют характеристики прочности [Золоторевский В.С.]

Закон Гука отражает пропорциональное поведение материала в области упругой деформации (участок ОА на рис.6) между нагрузкой (Р) и абсолютным удлинением образца (Ñl) Р= k Ñl .; где k=ЕF₀ \ Ñl- коэффициент, зависящий от формы образца (площади его поперечного сечения F₀ и длины l₀) и свойств материала(параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости (модуль Юнга), характеризует жесткость материала и определяется силами межатомного взаимодействия.Если после деформации образца до определенной внешней нагрузки (соответствующей пределу упругости) и снятия нагрузки с испытываемого образца деформация полностью не исчезает, то она считается пластической.

Графики, получаемые в результате испытания образца на разрыв (в координатах «нагрузка –изменение длины» - рис.5; 6) позволяют установить связь между деформациями и напряжениями.

Пластичность металла или сплава оценивают по максимальной пластической деформации до разрушения образца или изделия (в соответствии с законом о неизменности объема тела до и после деформации).

При упругой и пластической деформации количественная оценка процесса характеризуется показателями деформации, которые определяют изменение линейных размеров тел, углов и площадей.

Линейная деформация- это изменение какого-либо одного размера деформируемого тела.

Угловая деформация характеризуется изменением угла между двумя линиями, проведенными в деформируемом теле. Эту деформацию часто называют деформацией сдвига.

Объемные деформации характеризуют изменение объема деформируемого тела.

Поверхностные деформации – это изменение площади определенного сечения или участка деформируемого тела.

Различают деформации:

-абсолютные - абсолютные изменения какого-либо линейного размера тела, углового размера, площади сечения или др.

-относительные – характеризует отношение абсолютной деформации к начальному размеру деформируемого тела и определяется, например, для высоты образца, как Ñh\h₀; где Ñh=h-h₀ (h-размер образца после деформации; h₀-размер образца начальный, т.е. до деформации);

-логарифмические – являются разновидностью относительной деформации и представляет собой натуральный логарифм отношения изменения размера изделия к первоначальному размеру изделия (Ϭ_h=ln h\h₀)

Так, например, при испытании металлических образцов на растяжение уровень пластической деформации определяет название конкретной характеристики механических свойств испытываемого металла, что соответствует определенной нагрузке (Р), прилагаемой к образцу (рис.6,а,б).

Рис. 6 -Первичная диаграмма одноосного растяжения стального образца в координатах «нагрузка - абсолютное удлинение» (а - с физической площадкой текучести, соответствует нагрузке Р_т; б - с условной площадкой текучести, соответствует нагрузке Р_0,2).

Такие диаграммы используют для определения механических свойств.

Для поликристаллических металлов и сплавов все многообразие диаграмм сводится к трем основным видам (рис.7).

Рис. 7 Разновидности первичных диаграмм растяжения поликристаллических металлов: а - хрупкое разрушение; б –разрушение после равномерной деформации;

в –разрушение после образование шейки на образце

Для определения комплекса прочностных и пластических свойств металла или сплава при статическом испытании на одноосное растяжение (см. диаграмму на рис.5;6;10) определяют характеристики прочности (определяют сопротивление материала образца деформации или разрушению):

-предел пропорциональности – Ϭ_пц - соответствует внешней нагрузке Р_пц и напряжению (Ϭ_пц) в точке р (рис.5), которые металл образца выдерживает без отклонения от закона Гука (макроскопические деформации не наблюдаются).

-предел упругости –Ϭ_упр (Ϭ_0,01 или Ϭ_0,05) - соответствует внешней нагрузке (напряжению Р_УПР ) в точке е (рис.5), остаточная деформация (удлинение) в которой после снятия нагрузки не превышает 0,01% (0,05%) от исходной длины образца (появляются первые признаки макропластической деформации);

-предел текучести (физический) – Ϭ_т - соответствует практически неизменным внешней нагрузке Р_т и напряжению Ϭ в точке А-А¹ при которых материал образца деформируется (рис. 6,а). Предел текучести характеризует напряжение, при котором происходит более полный переход к пластической деформации (по сравнению с пределом упругости). На диаграммах «нагрузка –изменение длины», получаемых при испытании на растяжение сталей с феррито-перлитной структурой присутствует явная (протяженная) или в виде зубчастого участка площадка текучести. В зарубежной литературе длина площадки текучести обозначается символами L.E1 (Lueders elongation –удлинение Людерса), либо символом Є_L.

При испытаниях на растяжении е возможно получать диаграмму с зубом текучести рис. 7,б,в и рис.5,точка и), по которой рассчитывают верхний предел текучести по нагрузке Р_Т^в, соответствующей вершине зуба текучести (рис.5,точка и) или физический Ϭ_т по нагрузке Р_т (рис.6,а -точка А);

-предел текучести условный (его обозначают как Ϭ_0,2 ) -соответствует внешней нагрузке Р_0,2 (рис.6,б) и напряжению Ϭ_0,2 (см.диаграмму на рис.10,а), после снятия которых удлинение образца составляет 0,2 % от исходной длины образца. Отсутствие зуба или площадки текучести на диаграмме растяжения образца говорит о том, что в металле имеется в достаточно большом количестве подвижные дислокации (т.е. дислокации, которые при нагружении металла и возникновении в нем напряжений могут передвигаться и облегчать пластическую деформацию). Такие диаграммы (без площадки текучести) характерны для сталей с феррито-бейнитной, бейнитной или феррито-мартенситной структурой без дополнительного отпуска.

Наличие площадки текучести на диаграмме растяжения образца говорит о том, что в металле очень мало или отсутствуют подвижные дислокации (затруднена пластическая деформация металла), т.е. большая часть дислокаций в металле заблокированы различными стопорами (атомами углерода, азота, карбидами, нитридами и т.д.) и дислокации могут отрываться от таких стопоров при достижении определенных нагрузок на металл образца (либо в металле могут образовываться новые подвижные дислокации) –т.е. нагрузок на уровне предела текучести.;

- условный предел прочности (временное сопротивление) – Ϭ_в -соответствует максимальной внешней нагрузке Р_В (рис.6 а,б или точке b на рис.5) и условному напряжению Ϭ_В (рис.10), характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации, при достижении которых начинает образовываться шейка (рис.9,б) на образце – для диаграмм типа в на рис. 7.

- напряжение разрушения деформированного образца –Р_раз соответствует стадии максимальной деформации металла (точка С), после которой следует разрушение образца (см.рис.6,а,б или рис.5, точка к).

-модуль упругости Е.

Для диаграмм растяжения типа а, б,в на рис.7 физический смысл характеристик Ϭ_в; S_В и S_к могут существенно меняться (рис.10). При построении диаграмм истинных напряжений (рис.10,б) на основе перестройки первичных диаграмм получается, что истинное сопротивление разрыву (S_K) продолжает возрастать при достижении истинного временного сопротивления, хотя усилие Р_раз по первичной диаграмме падает (сравнить с рис.6,а или рис.5);

При проведении испытаний на растяжение образец должен устанавливаться в захватах разрывной машины таким образом, чтобы растягивающие усилия были приложены в центре тяжести сечения образца и направлены строго вдоль его продольной оси. На практике часто для испытаний на растяжение используют цилиндрические или плоские образцы различных размеров. Такие образцы имеют головки различной конфигурации для крепления образца в захватах (на рис.8 максимальный диаметр на головке образца равен D, а минимальный на рабочей части – d₀).

Рис.8 -Цилиндрический образец для испытания на разрыв при комнатной температуре

а б в

Рис.9- Схема цилиндрического образца на разных стадиях его растяжения:

Образец имеет следующие основные размеры:

1-рабочая длина (l) - часть образца между его головками или участками для захвата с постоянной площадью поперечного сечения;

2- начальная расчетная длина (l₀) - участок рабочей длины, на котором определяется после испытания удлинение металла образца;

3- начальный диаметр рабочей части (d₀) - для цилиндрических образцов или начальная толщина (a₀) и ширина (b₀) рабочей части у плоских образцов.

Между размерами образцов существует определенные соотношения.Условия испытаний на разрыв определяют нормативные документы (ГОСТ 1497 - при комнатной температуре; ГОСТ 9651 –при повышенных; ГОСТ 11150 –при пониженных температурах).

При построении условной диаграммы «напряжение-удлинение» (рис.10,а) напряжение (Ϭ) определяется как отношение нагрузки (Р) к начальной площади поперечного сечения рабочей части образца (F₀), соответственно и для условного удлинения (d). Условное удлинение равно d=Ñl \ l₀ – отношению абсолютного приращения длины образца (Ñl) к его начальной длине (l₀).

Рис.10 –Диаграммы «условное напряжение - условное удлинение» (а) и «истинное напряжение –истинное удлинение» (б), полученные при перестройке первичных диаграмм «нагрузка- абсолютное удлинение» при испытании образцов на разрыв.

Более объективную информацию можно получить при перестройке первичной диаграммы растяжения в истинную (рис.10,б), когда истинное напряжение (S) определяется (S = Р \ F) как отношение текущей нагрузки (Р) к текущей площади поперечного сечения (F), которое непрерывно уменьшается в процессе растяжения образца. Истинное удлинение образца (e) учитывает непрерывное изменение длины в процессе его растяжения.

В табл.1 приведены результаты механических испытаний пятикратных цилиндрических образцов на разрыв в зависимости от химического состава исследуемых сталей и их структурного состояния. Таблица 1

Характеристики пластичности ( определяются при одноосном статическом растяжении материала):

- относительное предельное равномерное удлинение (d_р,%) –наибольшее удлинение разрывного образца, до которого он деформируется равномерно по всей расчетной длине (l₀ - рис.8 и рис.9,а) или это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Ñl (Ñl=l₀ -l_р на рис.9,а-б) до нагрузки Р_max к ее первоначальной длине (l₀ ): d_р= Ñl \ l₀ ;

- относительное удлинение после разрыва (d_, %) –отношение приращения расчетной длины образца после разрыва (Ñl) к ее первоначальной длине (l₀ ): [(l_р –l_о)\ l₀]х100, %.

На практике используют для определения относительного удлинения кратности образцов 2,5; 5; 10, т.е. d_2,5, ; d₅; d₁₀;

- относительное предельное равномерное сужение (j_р,%)–это отношение абсолютного изменения (уменьшения) сечения рабочей части образца (ÑF, где ÑF= F₀ – F_р) при достижении нагрузки Р_max к его первоначальной площади сечения (F₀ ): j_р=(ÑF \ F₀)х100, %;

-относительное сужение рабочей части образца после разрыва ( j,%) – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва (ÑF_к) к его начальной площади сечения (F₀ ): j=(ÑF \ F₀)х100, %.

Наиболее часто в качестве нормируемых свойств готовых изделий определяются (рис.11) характеристики прочности (пределы прочности, текучести, пропорциональности, упругости), пластичности (относительное сужение и удлинение) –на разрывных образцах (рис.12, 12а); вязкости – ударная вязкость при испытаниях на маятниковом копре (рис.13) и твердости (различные методики). Механические свойства зависят от химического состава металла, структуры, напряженного состояния, температуры испытаний и др. факторов. На практике проводят также испытания материалов на сжатие, в результате которых определяют следующие характеристики: модуль упругости; предел пропорциональности; предел упругости; физический предел текучести; словный предел текучести; предел прочности; кривую упрочнения материала.

HB- твердость по Бринелю; sВ- предел прочности,МПа; sТ-предел текучести, МПа; sПЦ- предел пропорциональности, МПа; Y - относительное сужение,%; d - относительное удлинение,% КСU - ударная вязкость, определенная на образцах Менаже, Дж\см^2 Рис.11 - Изменение механических свойств закаленной стали 45 при последующем отпуске (Кузин А.А.)

Широкое распространение на практике получил метод испытания металлических материалов на изгиб (ГОСТы 14019; 13813; 1579).При проведении испытаний используют две схемы нагружения образцов:

1) трехточечный изгиб, при котором сосредоточенная нагрузка прилагается посредине расстояния между опорами;

2) чистый изгиб рабочей части образца при приложении нагрузки в двух точках на равном расстоянии от опор (позволяет получать наиболее надежные результаты).

Рис.12- Эскиз машины для одноосного испытания образцов на разрыв

Рис.12 а - Вид разрывной испытательной машины фирмы «Инстрон»

Испытания на изгиб проводят с использованием различных приспособлений в следующих условиях (определяется нормативной документацией):

-до заданного угла изгиба;

-до появления первой трещины в растянутой зоне образца с определением угла изгиба;

-до достижения параллельности сторон образца;

-до соприкосновения сторон.

Для ответственных металлоконструкций проводят испытания при двух- и трехосном нагружении в условиях, приближенных к реальным (например, используют кольцевые сплошные цилиндрические образцы с кольцевой выточкой).

Часто для испытания свойств металла валов и проволоки используют испытания на кручение (ГОСТ 3565).

Для изделий, работающих в условиях среза (например, заклепки, болты, шпоночные соединения, сварные соединения и др.), могут проводить испытания под действием сдвиговых нагрузок (на срез).

На практике самым доступным методом контроля уровня прочностных характеристик является измерение твердости материала (статический или ударный).Чаще всего под твердостью подразумевают свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению.

Твердость может определяться методом царапания (один материал царапается другим, в результате чего устанавливается относительная шкала твердости, в качестве которой в мировой практике часто используется шкала Мооса (см.табл.). Шкала Мооса включает десять минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости,при этом каждый последующий минерал царапает предыдущие.

Методы определения твердости подразделяют на две группы: механические и косвенные.

В механически деформационных методах под твердостью понимают свойство материала сопротивляться упругому пластическому деформированию или разрушению при внедрении рабочего инструмента (индентора) в его поверхность. При этом подразумевается, что материал индентора является более твердым (по сравнению с испытываемым) и не имеет остаточной пластической деформации при воздействии на испытываемое тело.

Способы определения твердости в зависимости от временного характера приложения нагрузки и измерения сопротивлению вдавливанию индентора разделяют на:

- статические;

-динамические;

- кинетические.

На практике наиболее часто используют следующие статические методы испытания твердости:

- Бринелля (ГОСТ 9012) – в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром (в зависимости от твердости исследуемого металла и нагрузки на рычажную систему прибора при вдавливании могут быть диаметром 1;2; 2,5; 10 мм) под воздействием нагрузки Р (рис. 13,а). После завершения времени воздействия нагрузки через индентор (шарик) на металл производят определение диаметра отпечатка (лунки) и определяют твердость как отношение нагрузки (Р) к площади поверхности сферического отпечатка (М). Твердость по Бринеллю обозначают – НВ.

Твердость по Бринелю в интервале 78….5884 МПа может определяться переносными приборами статического действия (ГОСТ 22761; 22762).

- Роквелла (ГОСТ 9013) - в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120⁰ (может твердосплавный конус) или стальной шарик диаметром 1,588мм (в зависимости от твердости исследуемого металла и нагрузки на рычажную систему прибора при вдавливании) под воздействием нагрузки Р (рис. 13,б). После завершения времени воздействия нагрузки через индентор (конус или шарик) на металл производят определение твердости, принимая за условную меру глубину отпечатка. Твердость по Роквеллу обозначают – НR. Глубина отпечатка определяется на индикаторе часового типа с ценой деления 0,002мм.

В зависимости от формы индентора и нагрузки на рычажную систему при вдавливании к символу твердости добавляется буква А или С (индентор конус), или В (индентор шарик).

При малых нагрузках твердость определяют по Супер-Роквеллу (ГОСТ 22975).

В зависимости от используемой шкалы измерения результаты измерения обозначают HRN или HRT.

-Виккерса (ГОСТ 2999) –- в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136⁰ под воздействием нагрузки Р (рис. 13,б). После завершения времени воздействия нагрузки через индентор (пирамида) на металл производят определение диагонали отпечатка и по ее значениям, используя таблицы, определяют твердость. Твердость по Виккерсу обозначают, например, 450 НV _10\15, что обозначает твердость 450 при нагрузке 10 кгс(98,1Н) и времени приложения нагрузки 15 секунд.

-метод микротвердости с использованием твердомера ПМТ (ГОСТ 9450) используется при определении твердости тонких поверхностных слоев (аналогично методу Виккрса) при малых нагрузках вдавливания (от 0.049 (0.005) до 4,9 (0,5) Н (кгс).

Могут использоваться другие методики измерения твердости, в т.ч. и переносными приборами, например:

- динамический метод Польди-Хютте определения твердости основан на использовании произвольной энергии удара и применением контрольного образца (с заданной твердостью);

-метод, использующий ударник Баумана с заданной энергией удара (тарированная пружина);

Рис.13 –Вид индентора и форма отпечатка при определении твердости поверхностного слоя металла (по методу Виккерса) с различной глубиной вдавливания

К косвенным методам измерений твердости относятся: акустический; токовихревой; электромагнитный; метод Шора; ультразвуковой; электронно-динамический (метод Лееба)

-Твердость по Шору (HSD, ГОСТ 23273) – производится с помощью переносного прибора (метод упругого отскока бойка), когда боек определенной массы (36 г) с алмазным наконечником в виде тела вращения с радиусом закругления рабочего конца R=1,0±0,1мм свободно падает на испытываемую поверхность материала (только горизонтальную) с определенной высоты (19±0,5мм). За 100 единиц твердости по Шору принимается высота отскока бойка h₁₀₀=13,6±0,5мм. Диапазон измерения этим методом 20-140 HSD.

Для определения твердости материала тонких покрытий или малых толщин используется метод измерения микротвердости (ГОСТ 9450, обозначается символом Н с указанием индекса формы наконечника и значения прилагаемой нагрузки в ньютонах – Н_Ñ0,196), а в случае особо тонких материалов - проба на твердость царапанием.

В последние десятилетия в практике часто используются переносные твердомеры, которые используют калиброванные штифты с нормированными значениями твердости или на них определяется диаметр отпечатка, возможны варианты использования штифтов, работающих на срез для нормированной величины прикладываемой нагрузки.

Выпускаются переносные твердомеры, работающие по методам Роквелла, Виккерса, Супер-Роквелла, Бринеля, в том числе и для измерения твердости на внутренних поверхностях металлоизделий.

Применяются также переносные твердомеры, определяющие и глубину упрочненного слоя.

Дата добавления: 2014-10-23