Механические свойства металлов

Для металлов, а также для металлических сплавов, особенно конструкционных, важное значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость [3, 4, 17].

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают напряжение и деформация. Напряжение σ – это нагрузка (сила) Р, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F ₀ образца:

. (2.26)

Деформация – это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается.

Прочность — способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках – усталостной прочностью.

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) σ_в – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р _в, предшествующей разрушению образца:

. (2.27)

Пластичность — свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом δ и относительное сужение перед разрывом ψ. Эти характеристики определяют при испытании на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам:

, (2.28)

, (2.29)

где I ₀ и I_к – длина образца до и после разрушения соответственно; F ₀ и F_К – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.

Упругость – свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость – свойство, обратное пластичности.

Твердость – способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела.

Вязкость – способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Значения удельной ударной вязкости вычисляют по формуле

, (2.30)

где А_н = G(H - h) – работа удара; G – вес маятника копра; Н – высота подъема маятника перед ударом; h – высота, на которую поднимается маятник с другой стороны опор после удара; F – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Некоторые детали в процессе эксплуатации испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направлению (знаку). Под действием таких знакопеременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют усталостью металла, а образовавшиеся изломы – усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т. е. величину наибольшего напряжения, которое металл может выдержать без разрушения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) N.

Износостойкость — сопротивление металлов изнашиванию вследствие процесса трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.

Если точечные дефекты преимущественно влияют на удельную электропроводность материалов, и в частности металлов, то линейные дефекты (плотность дислокаций) - на механические свойства. Наличие в реальных кристаллах большого количества дислокаций и вакансий приводит к значительному снижению механической прочности. Например, предел прочности у реальных кристаллов на 3 – 4 десятичных порядка ниже расчетной прочности идеальных кристаллов.

Важнейшее свойство дислокаций — их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и другими дефектами решетки. Это взаимодействие затрудняет движение дислокаций в кристалле и тем самым упрочняет его. С увеличением пластической деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногда — в миллионы раз. При этом возрастает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций и для своего преодоления требуют более высокого напряжения. В результате металл упрочняется.

Поэтому, чтобы повысить прочность металлов, необходимо либо уменьшить концентрацию дефектов в них, получая бездефектные кристаллы, либо создавать поликристаллические однородные тела с повышенной плотностью дислокаций, подвижность которых ограничивают легированием, закалкой или наклепом металла. Указанные технологические операции (легирование, закалка, наклеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций. Известно, что наибольшее упрочнение металлов достигается при плотности дислокаций порядка 10¹² – 10¹³ на площадь в 1 см^-2.

Дата добавления: 2014-01-05