27. Механические характеристики деформируемых сталей и сплавов.

Механические характеристики определяются следующими факторами:

-веществом, его структурой и свойствами;

-конструктивными особенностями элемента, т. е, размерами, формой, наличием концентраторов, состоянием поверхности;

-условиями при нагружении: температурой, скоростью, повторяемостью нагрузки и др.

Конструкционные материалы в процессе деформирования вплоть до разрушения ведут себя по-разному. Пластичное поведение характеризуется существенным изменением формы и размеров, при этом к моменту разрушения развиваются значительные деформации, не исчезающие после снятия нагрузки. Такие материалы называют пластичными. При хрупком поведении разрушение наступает при весьма малых деформациях, и материалы с такими свойствами называют хрупкими. Однако одни и те же конструкционные материалы, находящиеся в различных условиях деформирования, ведут себя по-разному: при одних условиях проявляют себя как пластичные материалы, при других - как хрупкие. В связи с этим, основные макромеханические характеристики материалов — упругость, пластичность, вязкость и др. правильнее относить не к их свойствам, а к состояниям материала.

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению.

2.4. ПЛАСТИЧНОСТЬ  И  ВЯЗКОСТЬ

       Пластичность – это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется,  когда  упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести σ_в . пластичность зависит от температуры,  скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях. Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки металлов давлением. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии. Характеристики: относительное удлинение:

l_о и l_к – начальная и конечная длина образца;Δl_ост – абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва. относительное сужение.

F_о – начальная площадь поперечного сечения;F_к – площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

 Вязкость - определяет количество  энергии, поглощаемой  при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии ; зависит и от максимально возможной деформации, и от прочности металла.

      Твердость – это свойство поверхностного слоя  материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала.  «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.

      Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений  в поверхностном слое металла происходят упругие, упруго- пластические или пластические деформации.   Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.

 3.1. ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

Механизмы разрушения связаны с микропластическими деформациями, которые  развиваются вблизи концентраторов напряжений (дефекты (внутренние и поверхностные трещины), конструктивные особенности изделия (надрезы, резкие изменения в сечении)) с течением времени приводят к зарождению трещины.

     По скорости распространения трещины различают вязкое и хрупкое разрушение. При хрупком разрушении она достигает скорости 1000 м/с, а при вязком – в сотни раз меньше.

    Чем медленнее развивается трещина, тем больше конструкционная прочность.          3.2. УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Процесс постепенного накопления повреждений в металле называется усталостью.

     Свойство противостоять усталости называется выносливостью.   

   Вторая по важности характеристика выносливости - усталостная долговечность. Она определяет число циклов, которое металл может выдержать при заданном напряжении.      Определяется также вероятность разрушения при заданном уровне нагружения и заданном числе циклов (или допустимое напряжение  при заданной вероятности разрушения).     

       Поскольку усталостные трещины зарождаются на поверхности, то особое значение для повышения долговечности при циклических нагрузках имеет состояние поверхности. Полировка, поверхностное упрочнение, отсутствие коррозии увеличивают величину предела выносливости.

3.3. УДАРНАЯ  ВЯЗКОСТЬ

ударная вязкость (единица измерения – Дж/см²). Она определяет энергию, необходимую для разрушения образца. Её измеряют, подвергая удару образец с предварительно нанесенным надрезом (ГОСТ9454-78).

     Энергия удара поглощается в некотором объеме вокруг надреза. Этот объем зависит и от прочности и от пластичности металла, для разных металлов он разный и его трудно оценить. Поэтому энергию разрушения относят не к объему деформируемой области (что было бы правильно), а к площади сечения в надрезе (что удобно). По этой причине величина  ударной вязкости носит условный характер, что нужно учитывать при сравнении показателей для разных металлов или разных температур

      3.4. ПРЕДЕЛЫ ПОЛЗУЧЕСТИ И ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ

       Ползучесть – это непрерывная деформация под действием постоянного напряжения. При малых нагрузках и низких температурах она носит обратимый характер.

      Деформация ползучести сопровождается изменениями структуры и, соответственно механических свойств. В отличие от пластической деформации, упрочняющей металл, деформация ползучести ведет к его разупрочнению. Кроме постоянно растущей деформации и увеличения скорости ползучести в металле начинается зарождение трещин и со временем происходит его разрушение.

     С явлением ползучести связано понятие жаропрочности.     Это способность работать под нагрузкой с допустимыми деформациями и без разрушения в условиях повышенных температур.

     Количественной характеристикой жаропрочности является предел ползучести (ГОСТ 3248-60) и предел длительной прочности (ГОСТ 10145-81).

     Предел ползучести используется в двух вариантах. В первом - это растягивающее напряжение, при ко