1. Деформация, разрушение и механические свойства металлов

   1. Общие положения

Механические свойства — одни из основных характеристик метал­лических материалов, применяемых в различных областях современ­ной техники.

Все механические свойства определяются процессами деформации и разрушения в различных условиях нагружения, как при выполнении технологических операций обработки при изготовлении изделий, так и во время эксплуатации деталей машин и конструкций. Многообра­зие условий эксплуатации и обработки металлических материалов требует проведения большого числа разных механических испытаний для определения характеристик механических свойств. Прежде всего, механические испытания позволяют оценить механическую прочность материалов. Обычно под механической прочностью понимают спо­собность материала сопротивляться деформации без разрушения. Ве­личины, характеризующие сопротивление деформации или разруше­нию, саму деформацию и вязкость (энергоемкость деформации и раз­рушения) называют механическими свойствами.

Под действием внешних напряжений происходит деформация, во время которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформация, исчезающая после разгрузки (снятия напряжения), называется упру­гой,, а сохраняющаяся после прекращения действия внешних напряже­ний - остаточной.

Под пластической деформацией понимают необратимые измене­ния формы и размеров тела, остающиеся после снятия нагрузки.

Фундаментальными характеристиками величины деформации, ко­торые используются в теориях упругости и пластичности, являются относительные удлинения е и сдвиги g:

/к

е = \dl/l~\n(l_K //₀);

Iо

§ = tg а,

где /о и /_к - начальная и конечная длина; ос - угол сдвига, рад.

Удлинение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений S, а сдвиг - под действием касательных напряжений t. Напряжения являются удельной нагрузкой и в простейшем случае од­ноосного растяжения стержня определяются как отношение

S = Р / F,

где S - растягивающее напряжение, МПа;

Р - действующая нагрузка, Н;

F - площадь сечения, перпендикулярного продольной оси стерж­ня, вдоль которого действует нагрузка, мм².

Нормальным растягивающим напряжениям приписывается знак «+». Нормальным может быть также сжимающее напряжение, которое тоже обозначается S, но со знаком «-».

Вектор касательных напряжений, в отличие от нормальных, не направ­лен перпендикулярно сечению, в котором они рассчитываются, а лежит в плоскости этого сечения. Именно под действием касательных напряжений происходит скольжение дислокаций, т.е. идет пластическая деформация.

2. Упругая деформация

Поведение металлов при упругой деформации описывается зако­ном[.Хука, который определяет прямую пропорциональность между напряжением и упругой деформацией. На рис. 1.1 показаны упругие участки кривых напряжение - деформация при одноосном растяжении и кручении (сдвиге).

а б

Рис. 1.1. Участки упругой деформации на кривых «напряжение - деформация» при одноосном растяжении (а) и кручении (б)

Наклон каждой из этих кривых, т.е. коэффициент пропорциональ­ности, связывающий напряжение и деформацию, характеризует моду­ли упругости:

Е = S/e;

G = t/g.

Модуль Е, определяемый при растяжении, называется модулем Юнга (модуль нормальной упругости), модуль G — модулем сдвига (касательной упругости). Модули упругости определяют жесткость материала, т.е. интенсивность увеличения напряжения при упругой деформации.

Механизм упругой деформации металлов заключается в обратимых относительно малых смещениях атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого 1ш)ма, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина упругой деформации в металлах не может быть большой (относитель­ное удлинение в упругой области обычно меньше 0,1 %), так как ато­мы в кристаллической решетке способны упруго смещаться лишь на небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл моду­лей упругости состоит в том, что они характеризуют сопротивляе­мость металлов упругой деформации, т.е. смещению атомов из поло­жений равновесия в решетке.

Модули упругости являются константами для каждого материала и относительно мало изменяются под влиянием внешних факторов. С по­вышением температуры от 0 К до температуры плавления модули упру­гости чистых металлов и большинства сплавов снижаются в 2-2,5 раза. Зависимость эта не линейна - темп снижения модулей по мере при­ближения к солидусу увеличивается.

Модули упругости металлов - структурно малочувствительные свойства. Например, размер зерна в поликристалле на них почти не влияет, а сильная холодная деформация лишь немного (на -1 %) сни­жает модули, что связано с влиянием остаточных микронапряжений, возникающих при наклепе. При формировании текстуры модули уп­ругости могут существенно меняться из-за увеличивающейся анизо­тропности деформированного металла.

При легировании металлов элементами, образующими твердые растворы, модули упругости изменяются по закону, близкому к ли­нейному, причем могут и увеличиваться, и уменьшаться.