Классификация твердых тел

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Классификация твердых тел

Хрупкие и пластичные тела

Вопросы разрушения твёрдых тел самым непосредственным образом связаны с одной из важнейших проблем современного материаловедения - проблемой прочности.

По характеру деформирования материала в процессе разрушения сами разрушения разделяют на хрупкие и вязкие. Разрушение называют хрупким, если оно происходит при преимущественно упругом деформировании материала, т.е. при напряжениях, меньших условного предела текучести. Как правило, хрупкое разрушение твердых тел наблюдается при низких температурах, высоких скоростях нагружения, многоцикловой усталости.

Вязким называют разрушение, сопровождающееся развитием заметных пластических деформаций. Такой характер разрушения наблюдается при высокой температуре, высоком внешнем давлении, некоторых видах сложного напряженного состояния, малоцикловой усталости.

В любом случае разрушение не является мгновенным критическим событием. Разрушение - это процесс накопления повреждений, происходящий во времени и в пространстве. Заканчивается этот процесс потерей несущей способности из-за потери сплошности.

Разрушения подразделяют на локализованные и объемные по характеру активизации процесса в пространстве. Локализованное разрушение представляет собой развитие и распространение одной или нескольких макроскопических трещин. Разрушение трещиной характерно для крупногабаритных деталей машин и элементов конструкций, в материале которых в исходном состоянии имеются макроскопические дефекты в виде трещин. Если в окрестности вершины трещины образуется значительная зона пластически деформированного материала, которая влияет на образование свободной поверхности, такое разрушение называют вязким. Для вязкой трещины разработан математический аппарат нелинейной механики разрушения. В окрестности вершины хрупкой трещины материал находится практически в упругом состоянии или размер пластической зоны настолько мал по сравнению с размером трещины, что им можно пренебречь. Для хрупких трещин справедлив математический аппарат линейной механики разрушения, основанный А.А. Гриффитсом в 1920 г.

Объемное разрушение представляет собой процесс накопления повреждений на микро- и макроуровне равномерно во всем объеме материала. Таким образом, объемное разрушение представляет собой процесс разрыхления структуры материала. Именно такой характер разрушения наблюдали О.Я. Берг при сжатии бетона и П.В. Бриджмен при растяжении стекла под давлением.

Изложенная выше классификация отражает все же не процесс разрушения, а явления, предшествующие разрыву материала. Поэтому классификация является условной, насколько условным является предел текучести и насколько чувствительными являются средства измерения пластической деформации перед разрывом. На практике под хрупким разрушением можно лишь подразумевать разделение материала на части без заметной предварительной деформации.

Строгая классификация разрушения возможна только на основе физических параметров процесса, связанных с механизмом повреждаемости во времени. Один и тот же материал при разных условиях (температура, давление, скорость нагружения, вид напряженного состояния и т.д.) может разрушаться в одних случаях хрупко, а в других - вязко. Поэтому хрупкость и пластичность - это не свойства материала, а состояние. Существующее в инженерной терминологии разделение конструкционных материалов на хрупкие и пластичные является условным и в первую очередь отражает механические свойства этих материалов при небольших скоростях нагружения в нормальных условиях (при атмосферном давлении и комнатной температуре).

Твёрдые тела в зависимости от вида разрушения делят на три группы:

1. Хрупкие тела. Хрупкими называют тела, которые при нагружении деформируются только упруго до разрушения. Данных о пластической деформации таких тел мало или они вообще отсутствуют. Нельзя указать точное максимальное значение деформации, предшествующей разрушению, но обычно оно составляет меньше 1%. Совершенно хрупкими в строгом смысле этого слова являются сравнительно немногие металлы. Однако хрупкое разрушение характерно для большинства керамических и металлокерамических материалов, а так же промежуточных соединений. Наиболее явной макроскопической особенностью разрушения большинства обычных хрупких тел, является быстрое распространение трещин в материале. Однако эта особенность наблюдается не только у хрупких тел.

2. Пластичные тела. Разрушению пластичных тел предшествует значительная пластическая деформация, трещина, которая обычно распространяется медленно, можно задержать уменьшив нагрузку. Большинство металлов, если они достаточно чистые, относятся к этой группе. Внешняя форма их конечного разрушения может отличаться в зависимости от напряженного состояния (частичный излом, срез, скручивание и т.д.), но все они характеризуются некоторой необратимой пластической деформацией.

Пример:

3. Полухрупкие тела. В одних условиях разрушаются в основном хрупко, в других вязко, характер разрушения зависит обычно от напряженного состояния и таких важных факторов, как t, скорость деформации. К полухрупким телам относят металлы с гексагональной и ОЦК решёткой. Поведение первых в значительной степени зависит от ориентировки, в поведении последних важную роль, а возможно и главную, играют примеси.

Совершенно пластичными можно считать лишь металлы с ГЦК решёткой, но и среди них есть исключение и зависимость их пластичности от количества примесей.

Таблица 1. Признаки излома хрупкого и пластичного тела

Принятая классификация основана на поведении материала при разрушении, т.е. перед его разделением на две части: в хрупком теле предварительная деформация фактически отсутствует, а в пластическом теле она имеется.

Эти различия не являются жёстким правилом.

К основным факторам внешнего воздействия следует отнести температуру, время, давление, вид напряженного состояния, среду (контакт с химически активным веществом, ионизирующее и радиационное облучение и т.д.). На деформационные и прочностные свойства влияют также конструктивные и технологические факторы, такие как размеры твердого тела, наполнение, легирование, термообработка и т.д. Влияние конструктивных и технологических факторов связано со структурой материала, поэтому объяснение характера изменения механических свойств требует физического подхода к рассматриваемому вопросу.

В инженерных расчетах, как правило, используют результаты феноменологических исследований влияния температуры, времени (скорости) и давления.

Теоретическая прочность кристалла

Теоретическая прочность кристалла на сдвиг впервые была вычислена академиком АНСССР Френкелем Я.И. (1894-1952), исходя из исходя из простой модели двух рядов атомов, смещаемых друг относительно друга под действием напряжения сдвига.

Под действием ф ряды атомов смещаются относительно друг друга, попадая в равновесные позиции в т. А и В, где напряжение сдвига, необходимое для сохранения конфигурации равно 0. Напряжение так же равно 0, когда атомы в обоих рядах располагаются точно друг над другом в положениях С и Д. В промежуточных положениях напряжение периодически меняется в объеме решётки.

Рис. 1. Модель сдвига в идеальном кристалле:

а - расстояние между рядами атомов;

b - расстояние между атомами в направлении сдвига; ф - направление сдвига

Если для направления сдвига ф смешение равно х, то напряжение будет периодической функцией х с периодом в. Эта зависимость является синусоидальной:

, (2.1)

где x - смещение относительно положения равновесия.

При переходе атомов из А в С все атомы верхнего слоя должны взобраться на гору, а при переходе из С в В как бы скатывается с горки.

Для малых смешений (при малых х величина sin x ? x):

, (2.2)

При малых смещениях справедлив закон Гука, который для случая сдвиговой деформации записывается в виде:

, (2.3)

G - модуль сдвига; - относительная величина сдвига.

Приравнивая приведенные выражения для ф получаем:

, , (2.4)

т.к. :

Железо ; . соотношение отличается в 1000 раз.

В чём же ошибка?

Как оказалось, в самом исходном предположении об одновременном смещении всех атомов одной плоскости относительно соседней.

Пример:

Снижение прочности объясняется тем, что деформация осуществляется последовательным прохождением дислокаций вдоль плоскости скольжения, а не путем одновременного сдвига по всему кристаллу, а также наличием микроскопических трещин.

Температура оказывает сильное влияние на механические свойства твердых материалов. Характер влияния температуры на диаграммы растяжения материала с решеткой в виде объемно-центрированного куба показан на рис. 2.

С уменьшением температуры предел текучести и предел прочности возрастают, но снижается пластичность, что проявляется уменьшением деформаций в момент разрыва. При уменьшении температуры испытаний в таких материалах показатель упрочнения 1/m формулы либо не меняется, либо уменьшается, но несущественно. Незначительное снижение показателя упрочнения наблюдается также и в случае повышения предела текучести после термообработки.

Рис. 2. Влияние температуры на диаграммы растяжения металлов с ОЦК-решеткой

Для малоуглеродистых сталей С.В. Серенсеном и Н.А. Махутовым предложены экспоненциальные зависимости предела текучести у_т(T) и предела прочности у_в(Т) от температуры T:

, (2.5)

, (2.6)

где у_т(T), у_в(T) - пределы текучести и прочности при нормальной температуре 293 К;

в_т и в_в - характеристики материала.

Установлено, что значение в_т нелинейно уменьшается с ростом предела текучести у_т(T0), поэтому в целом изменение предельных характеристик (2.5) и (2.6) имеет сложный характер.

Температура, как правило, оказывает более сильное влияние на величину предела текучести по сравнению с пределом прочности, поэтому при низких температурах наблюдается переход материала из пластичного состояния в хрупкое. Первой наглядной демонстрацией такого перехода стала опубликованная в 1924 г. схема А.Ф. Иоффе, полученная испытаниями кристаллов хлористого натрия. В дальнейшем схема Иоффе была подтверждена испытаниями многих материалов. Температура, при которой предел текучести становится равным пределу прочности, получила название температуры хрупкости T_хр. При этой температуре разрушение происходит в отсутствие макропластических деформаций, а при температуре ниже температуры хрупкости состояние текучести становится вообще недостижимым.

На рис. 2 такому состоянию соответствует диаграмма для T = T₄ < T_хр.

Равенство у_т(Тхр) = у_в(Tхр) = S_отр использовано Н.А. Махутовым для вычисления характеристики в_в температурной зависимости предела прочности (2.6) и температуры хрупкости для малоуглеродистых сталей:

, (2.7)

, (2.8)

Температура хрупкости зависит от скорости нагружения, времени и вида напряженного состояния.

пластический деформация твердый тело

Размещено на Allbest.ru