Механические свойства материалов

Основные свойства материалов.

Вопросы для самопроверки.

1. Чем отличается ближний порядок от дальнего порядка? В каких телах проявляются эти упорядоченности?

2. Виды кристаллических решёток, симметрия кристаллов.

3. Изоморфные вещества, изоморфизм, полиморфизм, фазы переменного состава.

4. Типы кристаллов в зависимости от природы частиц, их образующих. Как связаны свойства веществ с типом кристаллов?

5. Виды кристаллических дефектов.

6. Кинетика и термодинамика кристаллизации.

7.Правила фаз Гиббса, фазовые диаграммы.

8. Какие факторы влияют на морфологию растущих кристаллов и как влияют?

9. Отличие эпитаксиального роста кристаллов от объёмного роста. Виды эпитаксии.

10. Особенности кристаллизации полимеров, морфология полимерных кристаллов.

Основные свойства материалов – механические, электрические, магнитные, теплофизические.

Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в нём возникают внутренние напряжения.

Механические свойства твёрдых тел характеризуются прочностью (сопротивление разрушению), жёсткостью (сопротивление упругой деформации), твёрдостью (сопротивление пластической деформации), ударной вязкостью (сопротивление хрупкому разрушению).

При механических испытаниях используют такие вида нагружения материала как 1) одноосное растяжение, 2) всестороннее сжатие, 3) кручение, 4) изгиб, 5) сдвиг

Наиболее распространённым является испытание материалов на растяжение, выполняемое на разрывных машинах. Результаты эксперимента представляют в виде графика в координатах относительное удлинение e % - напряжение s в Па. Отностельное удлинение, это отношение приращения длины образца ∆L = (L_э - L₀ ) к исходной длине L₀. s - это отношение растягивающего усилияF к площадт поперечного сечения образца S. F/S = s На рис.3.1 представлены диаграммы растяжения разных материалов – керамики, металла, стеклообразного полимера, эластомера.

На первом участке (ОА) напряжение пропорционально деформации: s = Еe (закон Гука), где Е – модуль упругости. Модуль упругости характеризует сопротивление материала упругой деформации, которая обратима.

s, МПа В К

1 А 2 3 1. Керамика,

стекло. С D 4 2. Металл

. 3. Стеклообразный

полимер

4. Эластомер. О e,%

Рис.3.1. Кривые s - e материалов различной природы.

Затем, на втором участке (АВ), наблюдается отклонение от линейности, А – предел нарушения пропорциональности. На этом участке начинают развиваться пластические деформации.

Хрупкие материалы (неорганическое стекло, керамика) разрушаются на первом участке, например, в точке Х. Аналогично ведут себя пластмассы – реактопласты и композиты – композиционные материалы на основе реактопластов с волокнистыми наполнителями (стеклопластики, углепластики и др.).

Упруго-вязкие материалы (металлы, пластмассы) при дальнейшем растяжении достигают максимума – предела текучести (точка В).

При достижении предела текучести у полимеров и мягких материалов при дальнейшем деформировании может наблюдаться уменьшение напряжения, при этом в материале образуется так называемая «шейка» – скачкообразное уменьшение поперечного сечения. Металлы вскоре после этого разрушаются, полимеры при постоянном напряжении можно деформировать до точки D, т. е. до тех пор, пока весь материал не перетечёт в «шейку» (участок СD). На этом участке происходит ориентирование макромолекул полимера и увеличение его прочности. На участке DК происходит деформация и разрушение уже ориентированного полимера.

Кривая растяжения эластомеров более плавная и напряжения существенно ниже.

Испытания на растяжение позволяют определить предел прочности при растяжении s_р, разрывное удлинение e_р %, модуль упругости Е, предел пропорциональности, предел текучести. Обычно для расчётов конструкций задаются определённой жёсткостью или вибропрочностью по величине напряжений, при которых пластическая деформация достигает малой нормированной величины, например 0,001; 0,005; 0,02; 0,05%.

Прочность материалов в первую очередь зависит от энергии связи между частицами (атомами, ионами, молекулами), их образующими. Для кристаллических веществ, расстояния между частицами в которых строго определённо, можно рассчитать теоретическую прочность исходя из количества связей, попадающих в сечение разрыва. Поскольку идеальных кристаллов, т.е. кристаллов с идеальной кристаллической решёткой, не существует, имеющиеся дефекты кристаллической решётки будут снижать реальные значения прочности по сравнению с теоретическими.

Решающее влияние на реальную (физическую) прочность оказывают поверхностные дефекты в виде микротрещин. Именно они могут понизить прочность по сравнению с теоретической в сотни раз. Впервые это было экспериментально доказано исследованиями, проводившимися в Физико-техническом институте Академии наук под руководством А. Ф. Иоффе на примере кристаллов каменной соли. Теоретическая прочность на растяжение кристаллов NaCl приблизительно составляет 2 ГПа, а реально при комнатной температуре прочность не превышает 5 МПа, т.е., в 400 раз ниже. В то же время при испытаниях, проводившихся в горячей воде, прочность повышалась в десятки раз и, в ряде случаев, приближалась к теоретической. Горячая вода растворяла дефектный поверхностный слой, содержащий трещины (концентраторы напряжения), и прикладываемое напряжение при этом распределяется на всё поперечное сечение.

Эти закономерности чётко прослеживаются на материалах любого типа. Так, нитевидные кристаллы железа, представляющие собой практически монокристалл с малым количеством дислокаций, имеют предел прочности при растяжении порядка 10 ГПа, а поликристаллическое железо, очищенное методом зонной плавки, имеет предел прочности при растяжении всего 0,1 ГПа. Легированные стали после специальной термообработки обладают прочность порядка 2 – 3 ГПа.

В металлических монокристаллах пластические деформации осуществляются путём сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг наступает, когда касательные напряжения превысят критическое напряжение τ_к. Существует две разновидности сдвига – скольжение и двойникование. Чаще наблюдается скольжение – смещение одной части кристалла параллельно другой части вдоль плоскости скольжения.

Двойникование – это перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. Плоскость зеркальной симметрии – это плоскость двойникования.

В металлах с объёмноцентрированными кристаллическими решётками (ОЦК) и гранецентрированными (ГЦК) двойникование происходит только при низких температурах или при высоких скоростях деформирования. В металлах с гексагональной плотной упаковкой (ГПУ) равновероятны оба механизма.

Деформация скольжения развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения. Число систем скольжения зависит от типа решётки. У металлов с ГЦК решёткой (Cu, Al, Ni, аустенит) 4 плоскости скольжения и 3 направления – всего 12 систем скольжения. У металлов с ОЦК решёткой 48 систем скольжения. У металлов с ГПУ решёткой систем скольжения мало. Чем больше систем скольжения, тем пластичнее металл.

Элементарный акт сдвига – это смещение на одно межатомное расстояние. В идеальном бездефектном кристалле предельное напряжение τ_к приблизительно равно 0,16^.G (G – модуль упругости сдвига) и равно теоретической прочности. В реальных кристаллах τ_к ≈ 10^-4. G, т.е. в 1000 раз меньше. Это связано с тем, что в реальных кристаллах существуют дислокации, сдвиг осуществляется легко путём последовательного перемещения дислокаций.

Пластическая деформация поликристаллических металлов протекает без стадии лёгкого скольжения, деформация зёрен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотом плоскостей скольжения. По мере деформирования происходит изменение микроструктуры зёрен, их ориентация (текстура деформации). Текстура деформации делает металл анизотропным.

Деформация двухфазных сплавов более сложная, т.к. каждая фаза имеет свои системы скольжения и свои критические напряжения сдвига τ_к. Свойства сплавов зависят от того, как фазы распределены. Если хрупкая фаза является непрерывной (дисперсионная среда), то и сплав будет хрупким. Если же хрупкая фаза составляет дисперсную фазу сплава, то будет наблюдаться эффект упрочнения при сохранении пластичности, что хорошо.

Путём наклёпа твёрдость металлов может возрасти в 1,5 – 3 раза, прочность – в 3 – 7 раз. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются при деформации сильнее, чем с ОЦК решёткой. С ростом степени деформирования возрастают удельное электрическое сопротивление ρ, коэрцитивная сила Н_с, уменьшаются магнитная проницаемость μ, остаточная индукция В_s, плотность, снижается стойкость к коррозии.

Керамика по механическим свойствам характеризуется высокой твёрдостью, но, к сожалению, хрупкостью и чувствительностью к термическим ударам – резким перепадам температуры. Прочность керамических материалов во многом определяется её многофазностью, в частности, наличием газовой фазы, что является следствием технологии керамики. Механические испытания керамики обычно сводятся к определению предела прочности при сжатии и при изгибе и реже – при растяжении. Наибольшей прочностью обладают керамики на основе чистого оксида алюминия А1₂О₃ или А1₂О₃ с добавками других соединений, например, карбида титана ТiC. При этом, чем меньше пористость (чем меньше размер зерна), тем выше прочностные характеристики. Так, керамика на основе чистого А1₂О₃ при диаметре зерна 2 – 3 мкм имеет предел прочности при сжатии s_сж 3,5 – 4 ГПа, предел прочности при изгибе s_изг 0,4 – 0,6 ГПа, а при размере зерна 0,5 – 1,6 мкм s_изг = 0,8 ГПа. Керамика А1₂О₃ с добавкой 20 – 40 % ТiC обладает более высокими характеристиками: при размере зерна 1 – 2 мкм s_сж = 4 – 5 ГПа, s_изг = 0,7 – 0,8 ГПа, при размере зерна 0,3 – 1,2 мкм s_изг = 0,9 ГПа.

Прочность обычных стёкол, как правило, лежит в диапазоне 70 – 100 МПа, термически упрочнённое (закалённое) – 210 МПа, химически упрочнённое – 390 МПа, а стекловолокно – 2 – 3,8 ГПа.

Полимерные материалы в неориентированном состоянии имеют предел прочности при растяжении 20 – 80 МПа, а при высокой степени ориентации прочность достигает 6 – 10 ГПа, т.е., находится на уровне нитевидных кристаллов железа и во много раз превышают прочностные характеристики металлических сплавов. Если учесть, что плотность полимеров обычно составляет 0,9 – 1,4 т/м³, то удельные значения прочности полимеров превосходят удельные значения прочности металлических материалов в десятки раз. (Удельная прочность – это отношение прочности к плотности, размерность - м).

Измеримой механической прочностью полимеры обладают только при достижении некоторой минимальной степени полимеризации (СП). До СП порядка 250 наблюдается приблизительно прямая пропорциональность между СП (или молекулярной массой М) и s _р (предел прочности при растяжении). Дальнейшее увеличение СП всё слабее сказывается на росте s_р и при СП порядка 600 рост s_р практически прекращается. Следует учесть, что при синтезе полимеров образуются макромолекулы с различной СП.

Дата добавления: 2014-12-26