При проектуванні елементів конструкції та деталей машин необхідно знати механічні та пластичні властивості матеріалів. Для цього виготовляються стандартні зразки,які зазнають руйнування у випробувальній машині. Для випробування на розтяг рекомендується застосовувати циліндричні та плоскі зразки. Розрахункова довжина циліндричних зразків повинна дорівнювати ℓ 0 =5d 0 або ℓ 0 =10d 0 . Зразки з розрахунковою довжиною ℓ0 = 5d0 називаються короткими, а зразки з ℓ0 =10d0 – довгими. Застосування коротких зразків краще. Як основні застосовують зразки діаметром d 0 =10 мм. Зразки з меншими (іноді більшими) діаметрами або некруглими поперечного перерізуназиваються пропорційними. Розрахункова довжина ℓ 0 на зразку відрізняється ризиками.
Розрахункову довжину зразка можна виразити через площу поперечного перерізу:
Таким чином, для коротких зразків:
для довгих зразків:
Ці співвідношення використовуються визначення розрахункової довжини зразків прямокутного поперечного перерізу.
Співвідношення між робочою ℓ та розрахунковою ℓ 0 довжинами приймають:
для циліндричних зразків: від ℓ = ℓ 0 + 0,5 d 0 до ℓ = ℓ 0 + 3d 0;
для плоских зразків завтовшки 4 мм і більше:
Основним завданням випробування на розтягнення є побудова діаграми розтягування, тобто залежності між силою, що діє на зразок та його подовженням.
Випробувальна машина повідомляє зразку примусове подовження та реєструє силу опору зразка, тобто навантаження, що відповідає цьому подовженню. Результати досліду записуються за допомогою діаграмного апарату на папір у вигляді діаграми розтягування у координатах F – Δℓ. Типова для маловуглецевої сталі діаграма розтягування зразка показана малюнку.
Цю криву умовно можна поділити на чотири ділянки.Прямолінійна ділянка ОА називається ділянкою пружності.Тут матеріал зразка відчуває лише пружні деформації. Залежність між навантаженням на зразок та його деформацією підпорядковується закону Гука:
Подовження Δℓ на ділянці ОА дуже мало.
Ділянка ВК називається ділянкоюзагальної плинності,а відрізок ВК – майданчиком плинності.Тут відбувається суттєва змінадовжина зразка без помітного збільшення навантаження. Наявність майданчика плинності є характерною для маловуглецевої сталі.
Ділянка КС називається ділянкою зміцнення. Тут матеріал знову виявляє здатність підвищувати опір зі збільшенням деформації. Область зміцнення матеріалу на діаграмі розтягування тягнеться до точки С, ордината якої дорівнює найбільшому навантаженню на зразок F max .
Починаючи з точки різко змінюється характер деформації зразка. При зростанні навантаження на зразок від 0 до F усі ділянки зразка подовжувалися однаково – зразок відчував рівномірну деформацію. Після досягнення максимального навантаження деформація зразка починає зосереджуватися в якомусь найслабшому місці за його довжиною. Надалі подовження зразка відбувається із зменшенням сили (дільниця ЦД). Подовження зразка при цьому має місцевий характер. Тут зразка інтенсивно зменшуються розміри поперечного перерізу (утворюється так звана шийка) і збільшується довжина цієї ділянки. Тому ділянка ЦД називається ділянкою місцевої плинності. Крапка Дна діаграмі відповідає руйнування зразка.
Якщо випробовуваний зразок не доводити до руйнування, розвантажити (наприклад, у точці Н), то в процесі розвантаження залежність між силою Р і подовженням Δℓ зобразиться прямий НМ, яка буде паралельна ОА. Довжина розвантаженого зразка буде більшою за початкову на величину ВІН. Відрізок ОМ є залишкове або пластичне подовження. При повторному навантаженні зразка діаграма розтягування набуває вигляду прямої НМ і далі – кривої НСД, начебто проміжного розвантаження і не було.
Ряд пластичних матеріалів(леговані сталі, бронзи, латуні, алюмінієві сплави, титанові сплави та ін.) не мають фізичної межі плинності.На діаграмі розтягування таких матеріалів після точки відбувається швидке зростання пластичної деформації. Уловна межа плинності F т відповідає точці на діаграмі розтягування, визначається як навантаження, при якому пластична деформація дорівнює 0,2%.
Щоб дати кількісну оцінку механічним властивостям матеріалу, діаграму розтягування F= f(Δℓ) (перебудовують у координатах. Для цього значення сили F ділять на первісну площу зразка А 0 , тобто = F/ А 0 , а подовження Δℓ діляться на початкову довжину розрахункової частини зразка 0 ,
В результаті отримуємо діаграму залежності нормальної напруги від відносної поздовжньої деформації, яка характеризуватиме властивості матеріалу, а не властивості конкретного зразка. Ця діаграма називається умовної, так як при обчисленні та не враховуються зміни довжини та площі поперечного перерізу зразка в процесі розтягування.
Основними механічними характеристикамиє:
Межа пропорційності: пц = F пц / А 0
Межа плинності: σ т = F т / А 0
Межа міцності: в = F в / А 0
Характеристики пластичності:
відносне подовження
відносне звуження
де А ш – площа перерізу зразка (шийки) у найвужчому місці після руйнування.
Питома робота деформації: а = F у Δℓ / V,
де V - обсяг випробуваного зразка,
V = А 0 · 0 .
Нагадаємо, що максимальна напруга σ не можуть перевищувати 1200 МПа у конструкційних матеріалів.
Діаграма стиснення пластичних матеріалів
Зразки зі сталі закладають у випробувальну машину та піддають стиску.
У першій стадії навантаження сталевого зразка матеріал відчуває пружні деформації. Залежність між силою, що прикладається, і деформацією на діаграмі лінійна. Через деякий час після початку випробування матеріал досягає стану плинності. Стрілка силометра у своїй зупиняється, і діаграмі ординати перестають зростати. Зразок деформується за постійного навантаження. Навантаження, яке відповідає стану плинності F Т матеріалу записуємо в журнал випробувань. При подальшому стиску зразка показання силометра знову починають зростати. Зразок безперервно стискається, поперечний переріз його збільшується, і за відсутності мастила по торцях зразка він набуває бочкоподібної форми. Це пояснюється тим, що між опорними плитами та торцями зразка діє сила тертя, яка не дає можливості частинам зразка, що примикають до опорних плит, рухатися у поперечному напрямку. Змащення торців зразка це явище можна послабити.
Сталевий зразок довести до руйнування не вдається. Випробування припиняється при навантаженні приблизно удвічі більше межі плинності F Т. Вигляд зразків до і після випробування показаний малюнку. Типова діаграма стиснення маловуглецевої сталі в координатах F – Δℓ показана на рис. праворуч.
Діаграма розтягування та стиснення крихких матеріалів
Методика випробування крихких матеріалів така, як і для випробування пластичних.Тому зупинимося на основних відмінностях у поведінці крихких матеріалів. На малюнку показано діаграму стиснення (крива 1) та розтягування (крива 2).
У крихких матеріалів завжди відсутній майданчик плинності, хоча багато матеріалів мають певні пластичні властивості. Для цих матеріалів за небезпечний стан приймається межа міцності. Слід завжди пам'ятати, що межа міцності у крихких матеріалів у багато разів більша при стисканні. У чавуну ця величина сягає 3-4 рази. Що стосується будівельних матеріалів, то ця різниця може досягати десятикратного розміру.
Реферат
з дисципліни:
"Технологія конструкційних матеріалів"
"Фізичні основи пластичності та міцності металів"
Виконав студент
Перевірив викладач
Вступ
Основними механічними властивостями є міцність, пластичність, пружність, в'язкість, твердість.
Знаючи механічні властивості, конструктор при проектуванні обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність машин та конструкцій за їх мінімальної маси.
Пластичність і міцність відносяться до найважливішим властивостямтвердих тел.
Обидві ці властивості, взаємно пов'язані один з одним, визначають собою здатність твердих тіл протистояти незворотній формозміні і макроскопічному руйнуванню, тобто поділу тіла на частини в результаті зовнішніх або внутрішніх силових полів мікроскопічних тріщин, що виникають в ньому під впливом.
Для технолога дуже важливе значення має пластичність, що визначає можливість виготовлення виробів. у різний спосібобробки тиском, що базуються на пластичному деформуванні металу.
Матеріали з підвищеною пластичністю менш чутливі до концентраторів напруг та інших факторів крихкості.
За показниками міцності, пластичності тощо проводять порівняльну оцінку різних металів і сплавів, а також контроль їх якості при виготовленні виробів.
У фізиці та техніці пластичність – здатність матеріалу отримувати залишкові деформації без руйнування та зберігати їх після зняття навантаження.
Властивість пластичності має вирішальне значеннядля таких технологічних операцій, як штампування, витяжка, волочіння, гнучка та ін.
Міцність твердих тіл, у широкому сенсі - властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню (поділу на частини), а також незворотній зміні форми (пластичної деформації) під дією зовнішніх навантажень. У вузькому значенні - опір руйнації.
Мета справжньої роботи – вивчити фізичні основи пластичності та міцності металів.
1. Фізичні основи міцності металів
Міцність є фундаментальною властивістю твердих тіл. Вона визначає здатність тіла протистояти без руйнування дії зовнішніх сил. Зрештою, як відомо, міцність визначається величиною та характером міжатомного зв'язку, структурною та атомно-молекулярною рухливістю частинок, що становлять тверде тіло. Механізм цього явища залишається невирішеним і нині. Залишається нез'ясованим питання про природу міцності, про сутність процесів, які у матеріалі, що під навантаженням. У питаннях міцності не тільки немає закінченої фізичної теорії, але навіть за основними уявленнями існують розбіжності у поглядах і протилежні думки.
Кінцевою метою вивчення механізму руйнування має бути з'ясування основних принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, покращення існуючих матеріалів та раціоналізація способів їх обробки.
Міцністю називають властивість твердих тіл, що чинить опір руйнуванню, а також незворотними змінами форми. Основним показником міцності є тимчасове опір, що визначається при розриві циліндричного зразка, попередньо підданого відпалу. За міцністю метали можна поділити на такі групи:
неміцні (тимчасовий опір вбирається у 50 МПа) - олово, свинець, вісмут, і навіть м'які лужні метали;
міцні (від 50 до 500 МПа) – магній, алюміній, мідь, залізо, титан та інші метали, що становлять основу найважливіших конструкційних сплавів;
високоміцні (понад 500 МПа) - молібден, вольфрам, ніобій та ін.
До ртуті поняття міцності не застосовується, оскільки це рідина.
Тимчасовий опір металів зазначено у таблиці 1.
Таблиця 1.
Міцність металів
Більшість технічних характеристикміцності визначають у результаті статичного випробування на розтяг. Зразок, закріплений у захватах розривної машини, деформується при статичному, плавно зростаючому навантаженні. При випробуванні, зазвичай, автоматично записується діаграма розтягування, що виражає залежність між навантаженням і деформацією. Невеликі деформації з точністю визначаються тензометрами.
Щоб виключити вплив розмірів зразків, випробування на розтяг проводять на стандартних зразках з певним співвідношенням між розрахунковою довжиною l 0 і площею поперечного перерізу F 0 .
Найбільш широко застосовують зразки круглого перерізу: довгі з l0/d0 = 10 або короткі з l0/d0 = 5 (де d0 - вихідний діаметр зразка).
На рис. 1 а наведена діаграма розтягування маловуглецевої відпаленої сталі. При навантаженні, що відповідає початковій частині діаграми, матеріал відчуває лише пружну деформацію, яка повністю зникає після зняття навантаження.
До точки а ця деформація пропорційна навантаженню чи діючій напрузі
де Р - прикладене навантаження; F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка.
Навантаженню в точці а, що визначає кінець прямолінійної ділянки діаграми розтягування, відповідає межа пропорційності.
Теоретична межа пропорційності- максимальна напруга, до якої зберігається лінійна залежність між напругою (навантаженням) та деформацією
σ пц = Р пц / F0.
Так як при визначенні положення точка на діаграмі можуть бути похибки, зазвичай користуються умовною межею пропорційності, під яким розуміють напругу, що викликає певну величину відхилення від лінійної залежності, наприклад альфа tg змінюється на 50% від свого первісного значення.
Прямолінійну залежність між напругою та деформацією можна висловити законом Гука:
σ = Е епсілон,
де епсілон = (дельта l/l про) 100% - відносна деформація;
дельта l – абсолютне подовження, мм;
l 0 - Початкова довжина зразка, мм.
Рис.1 Діаграма розтягування маловуглецевої сталі (а) та схема визначення умовної межі плинності σ0,2 (б)
Коефіцієнт пропорційності Е (графічно рівний tg aльфа), що характеризує пружні властивості матеріалу, називається модулем нормальної пружності.
При заданій величині напруги із збільшенням модуля зменшується величина пружної деформації, тобто зростає жорсткість (стійкість) конструкції (виробу). Тому модуль Е також називають модулем жорсткості.
Величина модуля залежить від природи сплаву і змінюється трохи за зміни його складу, структури, термічної обробки.
Наприклад, для різних вуглецевих та легованих сталей після будь-якої обробки Е = 21000 кгс/мм 2 .
Теоретична межа пружності- максимальна напруга, до якої зразок отримує лише пружну деформацію:
σ уп = Р уп / F0.
Якщо діюча напруга деталі (конструкції) менше σ уп, то матеріал працюватиме в області пружних деформацій.
Зважаючи на труднощі визначення σ уп практично користуються умовною межею пружності, Під яким розуміють напругу, що викликає залишкову деформацію 0,005-0,05% початкової розрахункової довжини зразка. У позначенні умовної межі пружності вказують величину залишкової деформації, наприклад 0,005 і т. д.
Більшість матеріалів теоретичні межі пружності і пропорційності близькі за величиною. Для деяких матеріалів, наприклад міді, межа пружності більша за межу пропорційності.
Межа плинності- фізичний та умовний-характеризує опір матеріалу невеликим пластичним деформаціям.
Фізична межа плинності- напруга, за якої відбувається збільшення деформації при постійному навантаженні
т = P Т / F 0 .
На діаграмі розтягування межі плинності відповідає горизонтальна ділянка з - d, коли спостерігається пластична деформація (подовження) - «перебіг» металу при постійному навантаженні.
Більшість технічних металів і сплавів немає майданчика плинності. Для них найчастіше визначають умовна межа плинності- напруга, що викликає залишкову деформацію, що дорівнює 0,2% від початкової розрахункової довжини зразка (рис. 1, б):
σ0,2 =Р 0,2 / F 0
При подальшому навантаженні пластична деформація дедалі більше збільшується, рівномірно розподіляючись у всьому обсязі зразка.
У точці, де навантаження досягає максимального значення, в найбільш слабкому місці зразка починається утворення «шийки» - звуження поперечного перерізу; деформація зосереджується однією ділянці - з рівномірної перетворюється на місцеву.
Напруга в матеріалі в цей момент випробування називають межею міцності.
Межа міцності(тимчасовий опір розриву) - напруга, що відповідає максимальному навантаженню, яке витримує зразок до руйнування:
σ = P в /F 0 .
За своєю фізичною сутністю σ в характеризує міцність як опір значної рівномірної пластичної деформації.
За точкою (див. рис. 1, а) у зв'язку з розвитком шийки навантаження зменшується, в точці k при навантаженні P k відбувається руйнування зразка.
Справжній опір руйнуванню- максимальна напруга, яка витримує матеріал у момент, що передує руйнуванню зразка
S K = P до /F K ,
де F K - кінцева площа поперечного перерізу зразка у місці руйнування.
Незважаючи на те, що навантаження Р до<Р в, вследствие образования шейки F K
Справжня напруга. Розглянуті показники міцності: σ т, σ в та ін., за винятком S k є умовними напругами, так як при їх визначенні відповідні навантаження відносять до початкової площі перерізу зразка F 0 , хоча остання поступово зменшується в міру деформації зразка. Точніше уявлення про напруги у зразку дають діаграми дійсних напруг (рис. 2). Рис.2 Діаграма істинних (S) і умовних (σ) напруг: - поперечне звуження зразка. Справжні напруги S i = P i /F i визначають навантаження P i і площі поперечного перерізу F i в даний момент випробування. Приблизно до точки b (рис. 2,) тобто точки на рис. 72 а, відмінність між істинними і умовними напругами невелика і S B = σ в. Потім істинна напруга збільшується, досягаючи максимального значення S k в момент, що передує руйнуванню. При випробуванні на розтягнення, крім міцності характеристик, визначають також характеристики пластичності. 2.
Фізичні основи пластичності металів Розвиток вчення про механічні властивості твердих тіл, як відомо, йшов від механіки абсолютно твердого тіла, в якій деформації зовсім не враховуються, через теорію пружності, що є першим наближенням і придатну у випадках малих і оборотних деформацій, до теорії малих пружно- пластичних деформацій. Теорія взаємодії атомів кристалічних ґрат, розроблена понад 40 років тому, перебувала в різкій суперечності з експериментальними даними щодо міцності кристалів. З цього положення було запропоновано два виходи. Обидва вони засновані на тому, що у реальному кристалі, як і взагалі у твердих матеріалах, є неоднорідності та недосконалості. Саме внаслідок недосконалості будови реальних тіл виникає передчасна пластичність. Далі думки різних дослідників розходилися. Одні вважали, що реальний кристал складається зі шматочків ідеального кристала, між якими є слабкі місця. Пластичний перебіг відбувається лише за слабкими місцями. Інші вважали, що слабкі місця, якщо і грають роль пластичності, то лише як джерела перенапруги. Інакше кажучи, для пластичного перебігу необхідні великі місцеві перенапруги, як це, наприклад, було показано в дослідах з управління утворенням пластичних зрушень. Безперечно, що вивчення будови реального кристала та різноманітних дефектів, які можуть у ньому існувати, є важливим за своїм значенням завданням. Однак спірним є положення про те, чи необхідно засновувати теорію пластичності на обліку цих явищ або можна розробити теорію пластичної деформації ідеально правильної кристалічної решітки з подальшим розглядом ролі різних дефектів. Ряд авторів воліє виходити з припущення про наявність у кристалічній решітці закономірно розподілених вад, що мають особливі властивості. Передбачається, що пластичний перебіг кристалів являє собою рух цих вад (дислокацій) в кристалічній решітці. Останні експериментальні дані певною мірою підтверджують дислокаційні уявлення. Однак досі залишається недостатньо з'ясованим докорінним питанням про виникнення дислокацій у процесі пластичної деформації. Тому необхідно приділити особливу увагу експериментальній перевірці теорії дислокацій. Можливо, що така перевірка та відповідне уточнення теорії сприятимуть зближенню різних точок зору. Різноманітні матеріали, що піддаються дії зовнішніх механічних сил, на початкових стадіях навантаження змінюють свої розміри і форму оборотно. Деформації, які спостерігаються при цьому, називаються пружними. Вивчення пружних властивостей твердих тіл є важливим у зв'язку з тим, що пружні постійні є мірою міжчасткових сил у твердих тілах. Явлення формозміни твердих тіл під впливом зовнішніх сил складні. Кінцеві зміни, що відбуваються в твердих тілах під впливом зовнішніх сил, визначаються сукупністю ряду процесів, кожен з яких сам по собі ще повною мірою незрозумілий через відсутність задовільних і повних уявлень про природу сил зв'язку в твердих тілах, про їх будову, характер теплового руху і т. д., іншими словами, через відсутність вичерпної теорії кристалічного стану. Однак безсумнівно, що основні та загальні явища, що відбуваються у твердих тілах під дією зовнішніх сил, полягають в атомних та молекулярних зміщеннях. Відомо, що явища, що відбуваються при формозміні твердих тіл під дією зовнішніх сил, сильно залежать від структури і тісно пов'язані з процесами дифузії, релаксації, рекристалізації, з фазовими перетвореннями і дуже сильно залежать від температури. В силу цього проблема пружного і пластичного формозмін твердих тіл - проблема пластичності, по суті, є частиною більш загальної проблеми - проблеми рухливості атомів і молекул у твердих тілах, що включає: пружність, недосконалу пружність, пластичність, повзучість, двійникування, фазові перетворення , дифузію, релаксацію, рекристалізацію та інші (подібні) явища Таким чином, розробка фізичного вчення про пластичність вимагає охоплення великого кола явищ, частина з яких була перерахована вище, і невіддільна від вирішення наступних фундаментальних проблем: - проблеми загальної теорії твердого стану; проблеми міжчасткових сил у твердих тілах; проблеми ідеальної та реальної структури твердих тіл; проблеми теплового руху у твердих тілах. Пластичність- здатність тіла (металу) до пластичної деформації, тобто здатність набувати залишкову зміну форми та розмірів без порушення суцільності. Цю властивість використовують при обробці металів тиском. Характеристиками пластичності є відносне подовження та відносне звуження. За ступенем пластичності метали прийнято поділяти так: високопластичні- (відносне подовження перевищує 40%) - метали, що становлять основу більшості конструкційних сплавів (алюміній, мідь, залізо, титан, свинець) та "легкі" метали (натрій, калій, рубідій та ін.); пластичні- (відносне подовження лежить у діапазоні між 3% і 40%) - магній, цинк, молібден, вольфрам, вісмут та ін. (Найбільша група); тендітні- (відносне подовження менше 3%) – хром, марганець, кольбат, сурма. Високе очищення крихких металів дещо підвищує пластичність. Сплави, отримані з їхньої основі, майже піддаються обробці тиском. Промислові вироби їх часто отримують шляхом лиття. Відносне подовження. Відносне подовження є умовною характеристикою пластичності. Це тим, що абсолютне подовження складається з двох складових: рівномірного подовження дельта l р, пропорційного довжині зразка, і місцевого, зосередженого подовження в шийці дельта l ш, пропорційного площі поперечного перерізу зразка. Звідси випливає, частка місцевого деформації, отже, і значення дельта l ост і δ в коротких зразків більше, ніж в довгих. При цьому для різних матеріалів відносна величина рівномірної та місцевої деформацій коливається у широких межах. Більшість пластичних матеріалів деформується з утворенням шийки. При цьому рівномірна деформація становить 5-10% місцевої деформації, у сплавів типу дуралюмін 18-20%, у латунів 35-45% і т. д., але не більше 50%. Для крихких матеріалів або шийка, що знаходяться в крихкому стані, не утворюється і практично дельта l ост = дельта l p . Відносне подовження металів характеризує таблицю 2. Таблиця 2. Пластичність металів. Відносне звуження.У пластичних матеріалів відносне звуження більш точно характеризує їх максимальну пластичність - здатність до місцевої деформації і нерідко є технологічною характеристикою при листовому штампуванні і т.д. 3.
Теоретична та технічна міцність Технічна (реальна) міцність металів у 10-1000 разів менша, ніж їхня теоретична міцність, яка визначається силами міжатомного зчеплення. Наприклад, для заліза теоретично обчислене значення опору відриву S від = 2100 кгс/мм 2 . Технічна міцність заліза: S ВІД = 70 кгс/мм 2 σ у = 30 кгс/мм 2 . Така велика відмінність пояснюється тим, що теоретична міцність відповідає ідеальним бездефектним кристалічним ґратам металу. У реальних металах завжди є дислокації та інші дефекти кристалічних ґрат, включення, мікротріщини і т. п., що знижують міцність та ініціюють руйнування (рис. 3). Рис.3 Залежність міцності кількості дислокацій та інших дефектів кристалічної решітки (схема І. А. Одинга): 1 - чисті, отожженные метали; 2 - сплави, зміцнені легуванням, термічною обробкою, пластичною деформацією (наклеп) тощо. Мінімальну міцність мають чисті, відпалені метали при щільності дислокацій близько 107-108 см-2. Зі зменшенням кількості дислокацій опір деформуванню, тобто міцність металу, зростає і може досягати теоретичного значення. Переконливі докази справедливості цього положення були отримані при дослідженні металевих вусів - ниткоподібних кристалів завтовшки 0,5-2 мкм і довжиною до 10 мм з практично бездефектною кристалічною структурою. Вуса заліза товщиною 1 мкм мають межу міцності у = 1350 кгс/мм 2 , тобто майже теоретичну міцність. Через малі розміри вуса застосовують обмежено. Збільшення розмірів вусів призводить до появи дислокацій та різкого зниження міцності. Правіше за точку 1 (див. рис. 3) зі збільшенням кількості дислокацій (дефектів) міцність металів зростає. Це використовують за таких способів зміцнення, як легування, термічна обробка, холодна пластична деформація і т.д. Основними причинами зміцнення є збільшення кількості (щільності) дислокацій, спотворення кристалічних ґрат, виникнення напруг, подрібнення зерен металу і т. д., тобто все те, що ускладнює вільне переміщення дислокацій. Гранична густина дислокацій для зміцнення становить приблизно 10 12 см -2 . При більшій щільності у металі утворюються субмікроскопічні тріщини, що викликають руйнування. Висновок Питання пластичності та міцності твердих тіл мають першорядне значення для багатьох галузей техніки. Пластичність і міцність даного матеріалу визначають зрештою можливість використання його в будівельних спорудах, деталях машин, конструкціях приладів, інструментах для механічної обробки твердих тіл і в багатьох інших випадках. Ці властивості визначають також можливість механічної обробки даного матеріалу тиском (куванням, прокаткою, штампуванням, різанням) і задають потужності застосовуваних для цієї мети машин. В даний час слід проблему міцності та пластичності твердих тіл розглядати з позицій двох галузей інтересів – фізичної та технічної. Перша з них включає: а) з'ясування фізичної природи пластичності та міцності твердих тіл на основі вивчення елементарних процесів, що протікають при деформуванні та руйнуванні; б) систематичне накопичення та узагальнення нових фактів та закономірностей поведінки твердих тіл в умовах, що зустрічаються на практиці. У другу область інтересів входять усі завдання, пов'язані із застосуванням твердих тіл у техніці із загальним феноменологічним описом їх силової та деформаційної поведінки за різних видів напруженого стану та у різноманітних умовах експлуатації із застосуванням цих відомостей для розрахунку міцності та пластичності деталей машин та споруд на базі формальних теорій міцності та пластичності. Дослідження природи міцності та пластичності твердих тіл необхідні для створення суворої фізичної теорії їхнього пластичного деформування та руйнування. Побудова такої теорії полягає в першу чергу у вирішенні задачі про відступ будови твердих тіл від ідеально правильного під впливом механічних факторів та про вплив порушень ідеальної будови твердих тіл на їх пластичність та міцність. Цілком очевидно, що відсутність фізичної теорії, що спирається на різноманітність експериментальних фактів, які вдалося накопичити в результаті багаторічної роботи над проблемою, як і раніше, гальмуватиме вирішення низки можливих практичних питань. Найголовніші з них полягають у наступному: у розробці принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, у покращенні існуючих матеріалів, у визначенні шляхів подальшої раціоналізації їх обробки. Величезне народногосподарське значення цих завдань очевидно. Тим часом до теперішнього часу існує помітний розрив між запитами техніки щодо міцності та пластичності матеріалів для різноманітних умов їх роботи в машинах та конструкціях та можливостями теорії для відшукання шляхів вирішення завдань. Зараз, у разі, ми маємо лише нарисами можливої теорії окремих явищ, і навіть деякими експериментальними основами теорії, що охоплюють які далеко не повністю стоять перед нами питання. Список літератури 1. Александров, А. В. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для вузів. - М.: Вища школа, 1990. - 399 с. - ISBN 5-06-000053-2. 2. Гуль Ст Е., Структура і міцність полімерів, 2 видавництва, М., 1971. 3. Зубчанінов, В. Г. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для студентів машинобудівних спеціальностей вузів / В. Г. Зубчанінов. – М.: Вища школа, 1990. – 368 с.: іл. - ISBN 5-06-000706-5. 4. Інденбом Ст Л., Орлов А. Н., Проблема руйнування у фізиці міцності, "Проблеми міцності", 1990 № 12, с. 3; 5. Г.В.Курдюмов. Фізичні основи міцності та пластичності твердих тіл. - М.: - 1975. 6. Механічні властивості матеріалів, пров. з англ., за ред. Р. І. Баренблатта, М., 1966; 7. Основи теорії пружності та пластичності: підручник для студентів машинобудівних спеціальностей вузів / В. Г. Зубчанінов. - М.: Вища школа, 1990. - 368 с. : іл. - ISBN 5-06-000706-5. 8. Регель Ст Р., Слуцкер А. І., Томашевський Е. Є., Кінетична природа міцності твердих тіл, М., 1974. 9. Соколовський Ст Ст, Теорія пластичності, 3 видавництва, М., 1969. 10. Феодосьєв В.І. Опір матеріалів. - М: Вид-во МДТУ ім. н.е. Баумана, 1999. С. 86. ISBN 5-7038-1340-9. 11. Чисельні методи в теорії пружності та пластичності: навч. посібник для ун-тів. / Б.Є. Переможець. - М: Мгу, 1981. - 343 з У техніці застосовують над чистому вигляді, а вигляді сплавів. Сплави отримують шляхом змішування в розплавленому стані двох або декількох металів точно визначеному співвідношенні. Правильний вибір відповідного для виробу металу або сплаву можна зробити, знаючи його властивості. Міцність- здатність металу чи сплаву сприймати діючі навантаження не руйнуючись. Наприклад, якщо зроблені вами підвіски для стенду не руйнуються від його ваги при закріпленні на стіні, значить, вони мають достатню міцність. Практична робота ♦ Чорні та кольорові метали, механічні властивості (міцність, твердість, пружність, в'язкість, пластичність), технологічні властивості (ковкість, рідкотекучість, оброблюваність, зварюваність), конструкційна та інструментальна сталь, чавун, бронза, дюралюміній. 2. Назвіть механічні властивості металів та сплавів. 3. Назвіть технологічні властивості металів та сплавів. 4. Для чого потрібно знати властивості металів та сплавів? 5. Які сплави належать до чорних? 7. Чим відрізняється латунь від бронзи? 8. Чому метали потрібно економно витрачати? Симоненко В.Д., Самородський П.С., Тищенко А.Т., Технологія 6 клас Пластичність сумішіхарактеризують її рухливістю, т. е. здатністю розтікатися під впливом власної ваги чи прикладених до неї зовнішніх сил. Рухливість багатьох розчинних сумішей визначають глибиною занурення (в см) стандартного конуса масою (300:4:2) г. Конус 3, що утримується за кільце, підносять до суміші так, щоб він вершиною торкався її поверхні. Потім конус відпускають і він поринає в суміш під дією власної ваги. Рухливість розчинової сумішізалежить насамперед від кількості води та в'яжучого, виду в'яжучого та заповнювача, співвідношення між в'язким та заповнювачем. Жирні розчинні суміші рухливіші за тонкі. За інших рівних умов розчини на вапні та глині більш рухливі, ніж на цементі; розчини на природному піску рухливіше розчинів на штучному піску (дробленому). Рухливість розчинової суміші можна регулювати, збільшуючи або зменшуючи витрату в'яжучої води або. Збільшуючи в розчинній гмісі вміст води і в'яжучого, отримують більш пластичні (рухливі) і суміші, що зручно укладаються. Здобовкладна розчинна суміш виходить при правильно призначеному зерновому складі її твердих складових (піску, в'яжучого, добавки). Тісто в'яжучого як заповнює порожнечі між зернами піску, а й рівномірно обволікає піщинки тонким шаром, зменшуючи внутрішнє тертя. Від зручності укладання суміші залежить якість кам'яної кладки і штукатурки. Розшаровуваність- здатність розчинної суміші розділятися на тверду та рідку фракції при транспортуванні та перекачуванні її по трубах та шлангах. Перевірити суміш на розшаровування спрощено можна так. У цебро поміщають розчинну суміш шаром висотою близько 30 см і визначають її рухливість еталонним конусом. Через 30 хв знімають верхню частину розчину (близько 20 см) і вдруге визначають глибину занурення конуса. Якщо різниця значень занурення конуса близька нулю, то розчинну суміш вважають нерозшаровується, якщо вона знаходиться в межах 2 см - суміш вважають середньої розшаровування. Якщо склад розчинної суміші підібраний правильно і водов'яжуче відношення призначено правильно, то розчинна суміш буде рухомою, зручно укладається, вона матиме хорошу водоутримуючу здатність і не розшаровуватиметься. Реферат з дисципліни: "Технологія конструкційних матеріалів" "Фізичні основи пластичності та міцності металів" Виконав студент Перевірив викладач Вступ Основними механічними властивостями є міцність, пластичність, пружність, в'язкість, твердість. Знаючи механічні властивості, конструктор при проектуванні обґрунтовано вибирає відповідний матеріал, що забезпечує надійність та довговічність машин та конструкцій за їх мінімальної маси. Пластичність та міцність відносяться до найважливіших властивостей твердих тіл. Обидві ці властивості, взаємно пов'язані один з одним, визначають собою здатність твердих тіл протистояти незворотній формозміні і макроскопічному руйнуванню, тобто поділу тіла на частини в результаті зовнішніх або внутрішніх силових полів мікроскопічних тріщин, що виникають в ньому під впливом. Для технолога дуже важливе значення має пластичність, що визначає можливість виготовлення виробів у різний спосіб обробки тиском, заснованими на пластичному деформуванні металу. Матеріали з підвищеною пластичністю менш чутливі до концентраторів напруг та інших факторів крихкості. За показниками міцності, пластичності тощо проводять порівняльну оцінку різних металів і сплавів, а також контроль їх якості при виготовленні виробів. У фізиці та техніці пластичність – здатність матеріалу отримувати залишкові деформації без руйнування та зберігати їх після зняття навантаження. Властивість пластичності має вирішальне значення для таких технологічних операцій, як штампування, витяжка, волочіння, гнучка та ін. Міцність твердих тіл, у широкому сенсі - властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню (поділу на частини), а також незворотній зміні форми (пластичної деформації) під дією зовнішніх навантажень. У вузькому значенні - опір руйнації. Мета справжньої роботи – вивчити фізичні основи пластичності та міцності металів. 1.
Фізичні основи міцності металів Міцність є фундаментальною властивістю твердих тіл. Вона визначає здатність тіла протистояти без руйнування дії зовнішніх сил. Зрештою, як відомо, міцність визначається величиною та характером міжатомного зв'язку, структурною та атомно-молекулярною рухливістю частинок, що становлять тверде тіло. Механізм цього явища залишається невирішеним і нині. Залишається нез'ясованим питання про природу міцності, про сутність процесів, які у матеріалі, що під навантаженням. У питаннях міцності не тільки немає закінченої фізичної теорії, але навіть за основними уявленнями існують розбіжності у поглядах і протилежні думки. Кінцевою метою вивчення механізму руйнування має бути з'ясування основних принципів створення нових матеріалів із заданими властивостями, покращення існуючих матеріалів та раціоналізація способів їх обробки. Міцністю називають властивість твердих тіл, що чинить опір руйнуванню, а також незворотними змінами форми. Основним показником міцності є тимчасове опір, що визначається при розриві циліндричного зразка, попередньо підданого відпалу. За міцністю метали можна поділити на такі групи: неміцні (тимчасовий опір вбирається у 50 МПа) - олово, свинець, вісмут, і навіть м'які лужні метали; міцні (від 50 до 500 МПа) – магній, алюміній, мідь, залізо, титан та інші метали, що становлять основу найважливіших конструкційних сплавів; високоміцні (понад 500 МПа) - молібден, вольфрам, ніобій та ін. До ртуті поняття міцності не застосовується, оскільки це рідина. Тимчасовий опір металів зазначено у таблиці 1. Таблиця 1. Міцність металів Більшість технічних характеристик міцності визначають у результаті статичного випробування розтягування. Зразок, закріплений у захватах розривної машини, деформується при статичному, плавно зростаючому навантаженні. При випробуванні, зазвичай, автоматично записується діаграма розтягування, що виражає залежність між навантаженням і деформацією. Невеликі деформації з точністю визначаються тензометрами. Щоб виключити вплив розмірів зразків, випробування на розтяг проводять на стандартних зразках з певним співвідношенням між розрахунковою довжиною l 0 і площею поперечного перерізу F 0 . Найбільш широко застосовують зразки круглого перерізу: довгі з l0/d0 = 10 або короткі з l0/d0 = 5 (де d0 - вихідний діаметр зразка). На рис. 1 а наведена діаграма розтягування маловуглецевої відпаленої сталі. При навантаженні, що відповідає початковій частині діаграми, матеріал відчуває лише пружну деформацію, яка повністю зникає після зняття навантаження. До точки а ця деформація пропорційна навантаженню чи діючій напрузі де Р - прикладене навантаження; F o - Початкова площа поперечного перерізу зразка. Навантаженню в точці а, що визначає кінець прямолінійної ділянки діаграми розтягування, відповідає межа пропорційності. Теоретична межа пропорційності- максимальна напруга, до якої зберігається лінійна залежність між напругою (навантаженням) та деформацією σ пц = Р пц / F0. Так як при визначенні положення точка на діаграмі можуть бути похибки, зазвичай користуються умовною межею пропорційності, під яким розуміють напругу, що викликає певну величину відхилення від лінійної залежності, наприклад альфа tg змінюється на 50% від свого первісного значення. Прямолінійну залежність між напругою та деформацією можна висловити законом Гука: σ = Е епсілон, де епсілон = (дельта l/l про) 100% - відносна деформація; дельта l – абсолютне подовження, мм; l 0 - Початкова довжина зразка, мм. Рис.1 Діаграма розтягування маловуглецевої сталі (а) та схема визначення умовної межі плинності σ0,2 (б) Коефіцієнт пропорційності Е (графічно рівний tg aльфа), що характеризує пружні властивості матеріалу, називається модулем нормальної пружності. При заданій величині напруги із збільшенням модуля зменшується величина пружної деформації, тобто зростає жорсткість (стійкість) конструкції (виробу). Тому модуль Е також називають модулем жорсткості. Величина модуля залежить від природи сплаву і змінюється трохи за зміни його складу, структури, термічної обробки. Наприклад, для різних вуглецевих та легованих сталей після будь-якої обробки Е = 21000 кгс/мм 2 . Теоретична межа пружності- максимальна напруга, до якої зразок отримує лише пружну деформацію: σ уп = Р уп / F0. Якщо діюча напруга деталі (конструкції) менше σ уп, то матеріал працюватиме в області пружних деформацій. Зважаючи на труднощі визначення σ уп практично користуються умовною межею пружності, Під яким розуміють напругу, що викликає залишкову деформацію 0,005-0,05% початкової розрахункової довжини зразка. У позначенні умовної межі пружності вказують величину залишкової деформації, наприклад 0,005 і т. д. Більшість матеріалів теоретичні межі пружності і пропорційності близькі за величиною. Для деяких матеріалів, наприклад міді, межа пружності більша за межу пропорційності. Межа плинності- фізичний та умовний-характеризує опір матеріалу невеликим пластичним деформаціям. Фізична межа плинності- напруга, за якої відбувається збільшення деформації при постійному навантаженні т = P Т / F 0 . На діаграмі розтягування межі плинності відповідає горизонтальна ділянка з - d, коли спостерігається пластична деформація (подовження) - «перебіг» металу при постійному навантаженні. Більшість технічних металів і сплавів немає майданчика плинності. Для них найчастіше визначають умовна межа плинності- напруга, що викликає залишкову деформацію, що дорівнює 0,2% від початкової розрахункової довжини зразка (рис. 1, б): σ0,2 =Р 0,2 / F 0 При подальшому навантаженні пластична деформація дедалі більше збільшується, рівномірно розподіляючись у всьому обсязі зразка. У точці, де навантаження досягає максимального значення, в найбільш слабкому місці зразка починається утворення «шийки» - звуження поперечного перерізу; деформація зосереджується однією ділянці - з рівномірної перетворюється на місцеву. Напруга в матеріалі в цей момент випробування називають межею міцності.
Відносне подовження, що визначається на довгих зразках, позначається 10 на коротких 5 , причому завжди 5 > 10 .
Кожен метал і сплав має певні механічні та технологічні властивості.
До механічних властивостей відносять міцність, твердість, пружність, в'язкість, пластичність.
Твердість- якість матеріалу чинити опір впровадженню до нього іншого, твердішого материала. Наприклад, якщо на сталеву та мідну пластини нанести лунки за допомогою кернера, вдаривши по ньому молотком з однаковим зусиллям, то в мідній пластині глибина лунки буде більшою, ніж у сталевий. Це свідчить про те, що сталь твердіша за мідь.
Пружність- Властивість металу або сплаву відновлювати початкову форму після усунення зовнішніх сил. Якщо покласти на дві опори металеву лінійку і в центрі її помістити невеликий вантаж, вона прогнеться на деяку величину, а після зняття вантажу прийме початкове положення. Це показує, що матеріал лінійки має пружність.
В'язкість- Властивість тіл поглинати енергію при ударі.
Пластичність- Здатність змінювати форму під дією зовнішніх сил не руйнуючись. Цю властивість використовують при правці, згинанні, прокатці, штампуванні заготовок.
До технологічних властивостей відносять ковкість, рідкотірність, оброблюваність різанням, зварюваність та ін.
Ковкість- Властивість металу або сплаву отримувати нову форму під дією удару. Ця властивість заснована на використанні механічної властивості – пластичності.
Рідкотекучість- Властивість металу в розплавленому стані добре заповнювати ливарну форму і отримувати щільні виливки.
Оброблюваність різанням- Властивість металу або сплаву піддаватися обробці різанням різними інструментами.
Зварюваність- Властивість металів з'єднуватися в пластичному або розплавленому стані.
Корозійна стійкість- властивість металів та сплавів протистояти корозії.
Всі метали та сплави поділяють на чорні та кольорові. До чорних відносять залізо та сплави на його основі - сталь та чавун. Всі інші метали та сплави - кольорові.
Часто сплави мають кращі властивості, ніж їх складові. Наприклад, чисте залізо має дуже низьку міцність, а сплави заліза з вуглецем - набагато вищу. Якщо вуглецю в сплаві менше 2%, такий сплав називається сталлю. Якщо вуглецю від 2 до 4%, то це – чавун.
Стальне тільки міцний, а й пластичний матеріал, що добре піддається механічній обробці. З конструкційної сталі роблять деталі машин і конструкцій, а додаючи в сталь хром, вольфрам та інші метали, отримують дуже тверді інструментальні стшш, з яких виготовляють ріжучі інструменти для обробки металів.
Чавун- тендітний сплав, у зв'язку з чим його використовують для виробів, які згодом не зазнають ударів. Чавун має дуже гарну рідину, тому з нього отримують якісні і складні виливки: станини верстатів, радіатори опалення та інші вироби.
З кольорових сплавів найбільшого поширення у техніці набули латунь, бронза, дюралюміній.
Латунь- сплав міді із цинком жовтого кольору. Має високу пластичність, твердість і корозійну стійкість. Застосовується для виготовлення деталей, що працюють в умовах підвищеної вологості та електротехніки.
Бронза- сплав міді зі свинцем, алюмінієм, оловом та іншими елементами, жовто-червоного кольору. Має високу міцність, твердість, добре обробляється різанням і має корозійну стійкість. Застосовується для виготовлення водопровідних кранів та зубчастих коліс, для виливки художніх виробів (скульптур, прикрас та інших елементів), в електротехніці.
Дюралюміній- сплав алюмінію з міддю, магнієм, цинком та іншими елементами сріблястого кольору. Добре обробляється, має високу корозійну стійкість. Застосовується в авіації, машинобудуванні та будівництві, де потрібні легкі та міцні конструкції.
Ознайомлення з властивостями металів та сплавів
1. Розгляньте зразки металів та сплавів, визначте їх колір.
2. Покладіть праворуч від себе зразки із чорних металів та сплавів, а ліворуч – із кольорових. Визначте вид металів, з яких зроблено зразки.
3. Розтягніть та відпустіть пружини зі сталевого та мідного дроту. Зробіть висновок про пружність сталі та міді.
4. Покладіть на плиту для рубання металу зразки зі сталевого та алюмінієвого дроту і спробуйте розплющити їх молотком. Зробіть висновок про ковкість сталі та алюмінію.
5. Закріпіть у лещатах сталевий та латунний зразки та проведіть по них напилком. Зробіть висновок про оброблюваність сталі та латуні.
1. Що таке метал?
6. Чим відрізняється сталь від чавуну?
Надіслано читачами з інтернет-сайту
Природно, що властивості свіжоприготовленої суміші розчину і затверділого розчину зовсім різні. Основними властивостями розчинної суміші є удобовкладальність, пластичність (рухливість) і водоутримуюча здатність, а затверділих розчинів - щільність, міцність та довговічність.
Правильний вибір області застосування розчинів повністю залежить від їх властивостей. Властивості розчинних сумішей
Зручність- Властивість розчинної суміші легко укладатися щільним і тонким шаром на пористу основу і не розшаровуватися при зберіганні, транспортуванні та перекачуванні насосами.
Вона залежить від пластичності (рухливості) та водоутримуючої здатності суміші.
Висота конуса 180 мм, діаметр основи 150 мм, кут при вершині 30°.
У лабораторії конус встановлюють на штативі (рис. 1, а), в умовах будівельного майданчика його підвішують на ланцюжку з кільцем (рис. 1,6).
Рис.1. Штатив
По діленням на шкалі 6 або на поверхні конуса визначають глибину занурення його в суміш. Якщо конус занурився на глибину 6 см, це означає, що рухливість розчинної суміші дорівнює 6 см.
Вид в'яжучого підбирають і склад розчину задають залежно від необхідної міцності розчину та умов експлуатації будівлі.
Розчинна суміш з нормальною водоутримуючою здатністю - зручнообробна і м'яка, що зручно укладається, не тягнеться за лопатою штукатура, забезпечує високу продуктивність праці.
Правильно підібрана і добре перемішана розчинна суміш щільно заповнює нерівності, поглиблення, тріщини в основі, тому виходить велика площа контакту між розчином і основою, в результаті зростає монолітність кладки та штукатурки, збільшується їхня довговічність.
Розчинну суміш часто перевозять автосамоскидами і переміщують трубопроводами за допомогою розчинонасосів. При цьому не рідкісні випадки, коли суміш поділяється на воду (рідка фаза) і пісок і в'яжуче (тверда фаза), в результаті чого в трубах та шлангах можуть утворитися пробки, усунення яких пов'язане з великими втратами праці та часу.
Розшарування розчинної суміші визначають у лабораторії.
Різниця значень занурення конуса більше 2 см свідчить, що розчинна суміш розшаровується.
Пластифікуючі добавки як неорганічні, так і органічні підвищують водоутримуючу здатність розчинних сумішей і зменшують їх розшаровування
