Физические основы прочности металлов

Прочность является фундаментальным свойством твердых, тел. Она определяет способность тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения.

Конечной целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов создания новых материалов с заданными свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.

Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

прочные (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

высокопрочные (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 1.

Таблица 1.

Прочность металлов Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.

Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l₀ и площадью поперечного сечения F₀.

Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l₀ /d₀ = 10 или короткие с l₀ /d₀ = 5 (где d₀ — исходный диаметр образца).

На рис. 1, а приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.

До точки, а эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению у = P/F_o ,.

где Р — приложенная нагрузка; F_o — начальная площадь поперечного сечения образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности — максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией у_пц = Р_пц /F_0.

Так как при определении положения точка, а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности, под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

у = Е эпсилон, где эпсилон = (дельта l/l_о) 100% - относительная деформация;

дельта l — абсолютное удлинение, мм;

l₀ — начальная длина образца, мм.

Рис. 1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести у0,2 (б)

Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg aльфа), характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.

Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

Например, для различных углеродистых и легированных сталей после любой обработки Е = 21 000 кгс/мм² .

Теоретический предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

у_уп = Р_уп /F₀ .

Если действующее напряжение в детали (конструкции) меньше у_уп, то материал будет работать в области упругих деформаций.

Ввиду трудности определения у_уп практически пользуются условным пределом упругости, под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005−0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например у0,005 и т. д.

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

Предел текучести — физический и условныйхарактеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

Физический предел текучести — напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке у_т = P_Т /F₀ .

Ha диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок с — d, когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) — «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести — напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1, б):

у0,2 =Р_0,2 /F₀

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» — сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке — из равномерной переходит в местную.

Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

у_в = P_в /F₀ .

По своей физической сущности у_в характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации.

За точкой В (см. рис. 1, а) в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке P_k происходит разрушение образца.

Истинное сопротивление разрушению — максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца.

S_K = P_к /F_K ,.

где F_K — конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Несмотря на то что нагрузка Р_к <�Р_в, вследствие образования шейки F_K 0, и поэтому по величине S_К значительно больше, чем у_в .

Истинные напряжения. Рассмотренные показатели прочности: у_т, у_в и др., за исключением S_k, являются условными напряжениями, так как при их определении соответствующие нагрузки относят к начальной площади сечения образца F₀, хотя последняя постепенно уменьшается по мере деформации образца. Более точное представление о напряжениях в образце дают диаграммы истинных напряжений (рис. 2).

Рис. 2 Диаграмма истинных (S) и условных (у) напряжений: ш — поперечное сужение образца.

Истинные напряжения S_i = P_i /F_i определяют по нагрузке P_i и площади поперечного сечения F_i в данный момент испытания. Примерно до точки b (рис. 2,) т. е. точки В на рис. 72, а, различие между истинными и условными напряжениями невелико и S_B = у_в. Затем истинные напряжения увеличиваются, достигая максимального значения S_k в момент, предшествующий разрушению.

При испытании на растяжение, кроме характеристик прочности, определяют также характеристики пластичности.