Деформация материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Деформация материалов

1.1 Понятие про деформацию материалов и ее показатели

1.2 Классификация и виды деформаций

1.3 Механизм проявления деформации

2. Особенности деформаций и разрушения металлов

2.1 Упругопластические деформации металлов

2.2 Особенности разрушения металлов

2.3 Деформация металлов и их износ

Заключение

Список использованных источников



Введение

Металл (название происходит от лат. metallum -- шахта) -- группа элементов, обладающая характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и др.

Еще с давних лет ученые занимались поиском ответов на вопросы про металлы и их разрушение, они проводили различные эксперименты, устанавливали связь между материалами или металлами с внешними факторами, со строением.



1. Деформация материалов

1.1 Понятие про деформацию и ее показатели

Материалы и готовые изделия при действии нагрузок деформируются. Деформация - это изменение формы материала или изделия под действием нагрузок. Этот процесс зависит от величины и вида нагрузки, внутреннего строения, формы и характера расположения частиц.

Деформация происходит за счет изменений в строении и расположении молекул, их сближения и удаления, что сопровождается изменением сил притяжения и отталкивания. При действии на материал нагрузок им противодействуют внутренние силы, называемые силами упругости. От соотношения внешних сил и сил упругости зависит величина и характер деформации материала.

Деформацию различают:

-обратимая;

-необратимая;

Обратимая деформация - деформация, при которой тело после снятия нагрузки полностью восстанавливается.

Если тело после снятия нагрузки не возвращается в свое первоначальное положение, то эта деформация называется необратимой (пластическая).

Общая деформация тела равна сумме 2-х деформаций:

Dобщ = Dобр + Dпласт

Обратимая деформация может быть упругой и эластической. Упругая деформация - когда размеры и форма тела после снятия нагрузки восстанавливается мгновенно, со скоростью звука, т.е. она проявляется за короткий промежуток времени. Она характеризуется упругими изменениями кристаллической решетки.

Эластическая деформация - когда размеры и формы тела после снятия нагрузки восстанавливаются в течение длительного периода. Понятие эластической деформации применимо в основном к высокомолекулярным органическим соединениям, входящим в состав кожи, каучука, состоящим из данных молекул с большим числом звеньев. Она сопровождается обычно тепловыми явлениями, поглощением или выделением тепла, что связано с явлениями трения между молекулами и их комплексом. Эластическая деформация больше упругой.

Эластические деформации имеют значение при использовании одежды, особенно спортивной, с этим связано сминание и распрямление тканей. Ткани, проявляющие эластическую деформацию, характеризуются повышенной носкостью.

Необратимая деформация сопровождается новым расположением элементарных частиц за счет сдвигов или скольжений, смещения одних частиц.

Замер каждого вида деформации производится через определенное время после снятия нагрузки, например, упругую замеряют через 2 мин., эластическую через 20 мин. и т. д. Эти значения будут соответствовать условно упругой, условно эластической и условно пластической деформациям.

Показатели деформации.

Основными показателями деформации являются: абсолютное и относительное удлинение и сужение, предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости, разрывная длина, релаксация.

-абсолютное и относительное удлинение:

,



где Дl - абсолютное удлинение (м); l и l0 - конечная и начальная длина тела (м).

-предел пропорциональности: характеризует прочность материала в пределах упругости;

-предел текучести: свойство материала деформироваться при постоянной нагрузке называется текучестью. Предел текучести - это когда текучесть материала не явно выражена, т.е. когда он получает остаточное удлинение 0,2%.

-релаксация - снижение напряжения в деформируемом теле, связанное с самопроизвольным переходом частиц в равновесное состояние.

-разрывная длина - минимальная длина, при которой материал разрушается под действием своего собственного веса.

1.2 Классификация и виды деформации

Изменения формы и размеров изделия под влиянием внешних сил представляют собой сумму простых видов деформаций, основными из которых являются деформации при растяжении, сжатии, изгибе, сдвиге и кручении. Чаще наблюдается комплекс этих видов деформаций, и называются они сложными.

Наибольшее значение в товароведной практике имеют деформации, наблюдаемые при растяжении. При испытании на растяжение, помимо предела прочности, выявляются еще и такие показатели, как абсолютное и относительное удлинение и сужение, предел пропорциональности, предел текучести, модуль упругости и др., величины которые для ряда атнриалов регламентируются ГОСТами.

Эта деформация проявляется при использовании тканей, одежды, обуви, строительных материалов.

Если брус длиной L0 и поперечным сечением bодним концом закрепить неподвижно, а к другому концу приложить усилие, направленное по длине бруса, то брус деформируется. Деформация бруса сопровождается одновременно приращением длины ?l и уменьшением поперечных размеров b1. Приращение длины ?lназывается абсолютным удлинением, которое определяется как разность между длиной бруса после растяжения 1Х и первоначальной длиной l0.

Отношение абсолютного удлинения к первоначальной длине называется относительным удлинением е и вычисляется в процентах по формуле:

E=?l/l0 * 100.

Для упругопластических материалов полное удлинение при растяжении условно делят на две части: условно-упругое и условно-пластическое (остаточное).

Брус после снятия нагрузки за счет сил упругости имеет длину большую, чем первоначальная, но она меньше конце растяжения. Величина ?l у= lp-lу характеризует упругое удлинение, ? l ост=lу - lо характеризует остаточное удлинение или пластичность. Сумма остаточного и упругого удлинений также, как и относительное значение их, всегда равна полному удлинению:

?l0=?ly+?l ост или Еобщ.= Еу+Еост.

Упруго-пластическая деформация при растяжении



Деформация сжатия. Она проявляется в несущих конструкциях и деталях, они важны преимущественно для хрупких материалов. Их можно рассматривать так же, как деформация растяжения, но с обратным знаком. В отличии о растяжения наблюдается увеличение поперечных (ширина) размеров и уменьшение длины образца. Эти деформации определяются на специальных прессах. Образцы в зависимости от материала берут в виде цилиндра диаметром 2-5 см, при соответствующем отношении высоты к диаметру (это больше 1 и меньше 3) куба с размером грани 3; 5; 7,07; 10 и 20 см.

Удлиненные цилиндры и призмы, у которых высота меньше стороны, дают повышенный результат, так как сжатие сопровождается поперечным расширением образца. Основным показателям при деформации сжатия является предел прочности, который вычисляется по такой же формуле, что и при растяжении.

Некоторые строительные материалы (кирпич, цемент и др.) по этому показателю делятся на марки. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без остаточных деформаций. Пластические материалы разрушаются постепенно, после больших остаточных деформаций.

Деформация при изгибе. Деформации при изгибе имеют значение при оценке качества одежды, обуви, строительных материалов, металлических, древесных, полимерных и др. При изгибе бруса,лежащего на двух опорах, сосредоточенной нагрузкой посередине в точке, наблюдаются деформации растяжения в выпуклой части и деформации сжатия в вогнутой. Деформация при изгибе будет характеризоваться стрелой прогиба. При этом напряжения сжатия в вогнутой части бруса будут постепенно уменьшаться до нейтрального слоя с линией пт, в котором не наблюдается ни напряжений сжатия, ни напряжений растяжения. Длина отрезка нейтральной линии пт не изменяется. Ниже нейтральной линии наблюдается повышение напряжений растяжения. Отрезок АС получает наибольшее удлинение, а отрезок BD-- наибольшее укорочение.

Под влиянием нагрузки в поперечных сечениях бруса возникают напряжения растяжения и сжатия, величина которых зависит от величины изгибающего момента, модуля упругости материала, места расположения и удаления от нейтральной линии, а также от радиуса кривизны. Деформация в любом слое, отстоящем от нейтрального на расстоянии (L), прямо пропорциональна этому расстоянию и обратно пропорциональна радиусу кривизны нейтрального слоя:

±Е= L/r;

где Е - растяжение в выпуклой части и сжатие вогнутой; L - расстояние от нейтральной линии;

r - радиус кривизны;

При достаточно большой толщине слоя L и малом радиусе кривизны r напряжения могут быть выше предела прочности и материал разрушится. Согласно закону Гука можно записать ± ав = E*L/r/. Напряжения, возникающие и материале, выражаются отношением момента изгиба к моменту сопротивления

W: аизг= Мизг/Wизг.

Важно установить, насколько полно материал восстанавливает свое первоначальное положение после воздействия нагрузки, не превышающей предела текучести.

Деформация при изгибе

Деформация сдвига. Проявляются в местах заклепочных и других соединений деталей, когда две равные силы действуют в противоположном направлении и лежат в двух близких поперечных сечениях.Деформация сдвига определяется величиной угла т. Если сдвиг частиц тела происходит в одной плоскости, то такая деформация относится к срезу и является частным случаем деформации сдвига. Деформация сдвига связана частично с деформациями кручения и изгиба и, как правило, предшествует срезу. Величина, на которую одно сечение сместилось относительно соседнего, называется абсолютным сдвигом.

Деформация сдвига

Деформация при кручении. Они возможны, например, при ввинчивании винта. Если к стержню, один конец которого закреплен неподвижно, приложить силу, перпендикулярной с оси стержня, то стержень будет испытывать деформацию при кручении. По мере удаления точки от центра напряжения возрастают.

1.3 Механизм проявления деформаций

Деформации могут проявляться по-разному, это зависит как от самого материала так и от конструкции. Можно рассмотреть несколько примеров проявления деформации материалов.

Например, для горных пород это:

-набухание и увеличение объема горных пород, как результат упругих деформаций;

-вытекание, как результат ползучести и вязкопластических деформаций;

-образование и распространение глубоких пространственных трещин.

Например, если это какая-то конструкция, то тут присущи такие деформации как:

? усадка;

? изменение относительной влажности воздуха;

? химические взаимодействия, происходящие в бетоне конструкций;

? колебания температуры окружающей среды;

? явление ползучести.

Большинство строительных материалов, в том числе и бетон, имеют сильно развитую и достаточно открытую капиллярно-пористую структуру, благодаря чему могут поглощать влагу из окружающей среды (гигроскопическое увлажнение) либо впитывать (сорбировать) воду при непосредственном соприкосновении с ней.Изменение содержания воды в материале приводит к изменению объема, т.е. к объемным деформациям: при высыхании элемента происходит испарение воды и уменьшение объема, при увлажнении - наоборот.

Под ползучестью конструкций понимают ее способность деформироваться во времени при длительном действии постоянной нагрузки, в том числе и от собственного веса. Физическая природа явления ползучести недостаточно изучена, но считают, что пластические деформации ползучести обуславливаются пластическими свойствами камня. Деформации ползучести наиболее заметно развиваются в начальный период после приложения нагрузки и постепенно затухают. Например, у бетонов наблюдаются в возрасте 5-6 и более лет.

Полная деформация ползучести может значительно превосходить деформации, получаемые бетоном в момент нагружения, иногда превышая их вдвое [2].

2. Особенности деформаций и разрушения металлов

2.1 Упругие и пластические деформации металлов

Упругая деформация металлов - деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил, когда размеры и форма тела после снятия нагрузки восстанавливается мгновенно, со скоростью звука, т.е. она проявляется за короткий промежуток времени. Она характеризуется упругими изменениями кристаллической решетки. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии -- сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Пластическая деформация металлов - приводит к остаточным изменениям формы и размеров тела.Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием.

Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины. Смещение происходит по системам скольжения, причем с изменением температуры деформации системы скольжения могут изменяться.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающие те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

деформация разрушение металл

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, помимо скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

Изменение структуры поликристаллического металла при пластической деформации.Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) пли двойникования. Формоизменение металла при обработке давленном происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, п полому пластическая деформация по может протекать одновременно н одинаково во всем объеме поликристалла.

Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил,образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри нею происходит дробление блоков.[5], [6]

2.2 Особенности разрушения металлов

Процесс деформации при достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения состоит из двух стадий -- зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (детали).

Разрушение есть многостадийный процесс, в течение которого меняется форма, размеры и микроскопические механизмы роста трещины. На микроскопическом уровне различают:

а) разрушение, когда развивающийся процесс скольжения формирует плоскость будущего излома; последующий процесс отрыва идет по поверхности раздела (границ зерен) или по плоскостям спайности;

б) смешанные -- плоскости излома проходят и через зерна и между ними.

На практике разрушение подразделяют на хрупкое, вязкое и усталостное.

Хрупкое разрушение происходит без макроскопической де формации или с очень малой деформацией, и начинаемся обычно на внешних рисках, подрезах или на уже имеющихся трещинах. Хрупкому разрушению способствуют следующие факторы:

--конструктивная форма: насечки, резьба, риски, резкое изменение сечения;

--технологические: дефекты сварки, закалки, шлифования, высокие напряжения;

--условия нагружения: низкие температуры, ударные нагрузки, многоосное напряженное состояние;

--структура материала: крупные зерна, фазы выделения на границах зерен, старение, неблагоприятные примеси и включения;

--внешние условия: коррозионная среда -- коррозионное растрескивание.

Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией и является результатом медленного разрастания достаточно длинных трещин. Разрушение происходит путем образования пор и путем медленного роста ступенчатой трещины при образовании полостей и ямок перед се вершиной.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика -- она близка к скорости звука, поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения -- транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерна.

По внешнему виду излома (визуальное наблюдение) можно судить о характере разрушения. Волокнистый (матовый) излом свидетельствует о вязком разрушении, кристаллический (светлый) излом является результатом хрупкого разрушения.

Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофракгография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» микростроением излома. При этом виде разрушения происходит образование внутренних микрообластей («чашек») с последующим удлинением этих локальных очагов разрушения и разрывом перемычек, разделяющих их.

Хрупкое разрушение характеризуется «ручьистым» поверхности излома. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Ступени при разрушении сливаются, образуя ручьистый узор.

Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относятся к транскристаллитному разрушению.

Многие металлы (Fe, W, Zn и др), в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкость.

1-«чашечный» излом, 2- «ручьистая» поверхность излома

Усталостные разрушения возникают при циклическом нагружении, приводящем к необратимому накоплению повреждений, являющихся очагами будущего разрушения. Накопление повреждений происходит в три стадии: 1) упрочнение (возникновение, движение и скопление дислокаций), 2) образование трещин (при незначительном движении дислокаций на поверхности возникают экструзии -- маленькие и интрузии -- маленькие впадины (канавки), приводящие к образованию зародышевых трещин); 3) рост зародышевых трещин.[5]

2.3 Деформация металлов и их износ

В процессе эксплуатации все элементы изнашиваются, повреждаются и постепенно теряют свои прочностные характеристики.

Износ -- изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя металла при трении. Износ приводит к снижению функциональных качеств и к потере их потребительской ценности.

Различают три группы изнашивания:

- механическое,

- молекулярно-механическое

- коррозионно-механическое.

Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности.

Молекулярно-механическое изнашивание получается в результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных или атомных сил (схватывание с последующим разрушением металла в местах схватывания).

Коррозионно-механическое изнашивание есть изнашивание при трении металла, вступившего в химическое взаимодействие со средой. Характеризуется образованием пленок окислов, химических соединений и последующим разрушением этих образований, т. е. происходит в результате окислительного изнашивания.

Трение - является основной причиной изнашивания. Принято различать трение покоя двух тел при предварительном смещении, трение движения двух тел, находящихся в относительном движении, трение скольжения, качения.

Трение скольжения обусловлено тем, что скорости соприкасающихся металлов в точках касания различны. При трении скольжения одна и та же зона одного металла соприкасается с различными зонами другого.

Трение качения характеризуется условиями, когда скорости соприкасающихся деталей металла в точках касания одинаковы по величине и направлению.

Для трения скольжения характерно истирание деталей металла, а для трения качения -- смятие и выкрашивание.

Изнашивание деталей, образующих неподвижные сопряжения, зависит от значения силы трения покоя. Для подвижных сопряжений изнашивание деталей металла будет зависеть от характера относительного перемещения трущихся поверхностей и от характера их смазывания.

Изнашивание зависит от металла и качества трущихся поверхностей, от характера и скорости их взаимного перемещения, от характера контакта, вида и значения нагрузки, вида трения и многих других факторов.Увеличению износостойкости изделий способствуют применение материалов или металлов с высокой износостойкостью.[7]



Заключение

Рассмотрев тему учет температурных деформаций, хочу сказать, что эта тема является очень актуальной на сегодняшний день. Все сооружения, конструкции сделаны из различных по свойству, по качеству материалов. Нужно постоянно изучать их, делать выводы, устранять какие-то ошибки, качественней проводить эксперименты для того, чтоб эти сооружения, предметы могли соответствующе функционировать и даже улучшать их качество, чтоб они меньше подвергались деформации. Ведь нельзя представить хоть что-то без металлов. Ученые постоянно следят за металлами, открывают новые.



Список использованных источников

1. Н.С.Алексеев, В.Г. Зайцев, С.С. Палладов - Введение в товароведение промышленных товаров. М.: «Экономика», 2007г - 152 с.

2.www. Wikipedia.ru

3.www.MYsopromat.ru

4. www.mehanica.ru

5. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - Материаловедение: М.:Машиностроение.2008. - 493 с.

6. В.Д. Дурнев, С.В. Сапунов, В.К. Федюкин - Товароведение промышленных материалов. М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 2012. - 536 с.

Размещено на Allbest.ru

...