Механические свойства твердых (кристаллических) тел

Механические свойства твердых
(кристаллических) тел
Механические свойства материалов определяют их поведение под действием
механической нагрузки.
Основные механические свойства твердых тел связаны с деформационным
поведением (жесткость, пластичность, ползучесть, твердость, предельные
деформации при разрушении), прочностные (предел прочности σb,
долговечность, усталостная прочность, работа разрушения при ударном
воздействии), фрикционные (коэффициент трения и износа).
Значения показателей механических свойств не являются физическими
постоянными вещества; они могут зависеть от формы и размеров изделия,
условий испытания, состава окружающей среды, состояния поверхности
испытуемого образца, фазового и релаксационных состояний материала,
определяемых его предысторией, составом, структурой. Поэтому для
сравнения различных материалов по механическим свойствам важно строго
стандартизировать условия и режим их определения.
Механические свойства могут изменяться во времени.
Для
многих
материалов
(монокристаллических,
армированных
пластиков,
волокон)
характерна
механических свойств.
ориентированных
и
резкая
анизотропия
Хотя механические свойства зависят от сил взаимодействия между частицами
(ионами, атомами, молекулами), составляющими вещество, прямое их
сопоставление со структурными характеристиками затруднено из-за дефектов
кристаллической структуры и неоднородностей, присущих реальным
веществам.
Определение механических свойств материала является основой при выборе
области его применения, условий формирования из него изделий, их
эксплуатации.
Механизм деформации во всех случаях связан с изменением взаимного
расположения составляющих тело частиц вещества.
Пластическая деформация кристаллических тел происходит по механизму
движения дефектов, главным образом скольжения дислокаций, а в случае
поликристаллов - путем скольжения по границам зерен.
Основным механизмом пластической деформации является движение
дислокаций. Поскольку способов перемещения дислокаций, приводящих к
пластической деформации, множество, то эта деформация оказывается весьма
сложным явлением.
Если кристаллическая структура двух металлов неодинакова, то их поведение
при пластической деформации может быть различным. Характер пластической
деформации сильно зависит от таких факторов, как температура, скорость
деформации, предшествующая обработка образца и размер зерен, а в случае
монокристаллического образца — от его ориентировки относительно
приложенных напряжений.
Малоугловые и большеугловые границы в α-Fe
ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗРУШЕНИЕ В МЕТАЛЛАХ
Основные схемы нагружения материалов:
•растяжение;
•сжатие;
•изгиб;
•кручение;
•ударный изгиб.
σ - величина напряжения (кг/мм2 или МПа)
P – приложенная сила (кгс или кН)
F – площадь поперечного сечения (мм2)
Для одноосного растяжения или сжатия σ рассчитывается как отношение
приложенной силы Р к площади поперечного сечения F:
σ = P/F.
Реакция материала на постоянно увеличивающееся напряжение включает три
последовательные стадии:
•упругую деформацию;
•пластическую деформацию;
•разрушение.
Упругая деформация - это деформация, исчезающая после снятия нагрузки,
т. е. обратимая.
Пластическая деформация - это часть деформации, которая остается после
снятия нагрузки, т. е. необратимая.
Разрушение - разделение материала на части под действием больших
напряжений.
Пластическая деформация твердых тел
(ползучесть) может происходить двумя
принципиально разными механизмами:
дислокационным и диффузионным.
Первый механизм реализуется за счёт движения в
объёме кристаллов дислокаций и других дефектов
решётки и не требует термической активации.
Диффузионный механизм реализуется путем
перемещения вакансий и характерен для
повышенных температур.
Кроме того в качестве дополнительного механизма
выделяется скольжение по границам зерен.
Пластическая деформация - сложный физико-химический процесс, в
результате которого наряду с изменением формы и строения исходного
металла изменяются его механические и физико-химические свойства.
Как известно, металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, характеризующееся
тем, что атомы в кристаллах располагаются в местах устойчивого равновесия в строго
определенном для каждого металла порядке.
Рассмотрим холодную пластическую деформацию монокристалла. Под действием
внешних сил в монокристалле возникают напряжения. Пока эти напряжения не
превысили вполне определенной для данного металла величины (называемой пределом
упругости), происходит упругая деформация.
При упругой деформации атомы отклоняются с мест устойчивого равновесия на
расстояния, не превышающие межатомные. После снятия нагрузки под действием
межатомных сил атомы возвращаются в прежние места устойчивого равновесия, форма
тела восстанавливается, при этом изменений в строении и свойствах металла не
происходит.
Упругая деформация сопровождается незначительным обратимым изменением объема
тела, которое, например, для меди при напряжениях сжатия 10 МПа составляет 1,3%.
C увеличением внешней нагрузки увеличиваются и отклонения атомов. При
определенных для данного металла напряжениях (пределе текучести) атомы смещаются
в новые места устойчивого равновесия на расстояния, значительно превышающие
межатомные. После снятия нагрузки форма монокристалла не восстанавливается, он
получает пластическую деформацию.
Необратимые смещения атомов в монокристалле происходят в основном в виде
скольжения и в меньшей степени, в виде двойникования.
Скольжение представляет собой смещение атомов в тонких слоях монокристалла.
Смещения происходят по особым кристаллографическим плоскостям, причем расстояние
между плоскостями скольжения составляет 100-200Å. При определенных условиях следы
скольжения можно наблюдать в виде полос на поверхности деформируемого металла.
Двойникование, которое в основном происходит при ударных нагрузках, состоит в
стройном смещении группы атомов относительно особой плоскости - плоскости
двойникования.
Смещенная часть монокристалла будет являться зеркальным отображением (двойником)
недеформированной его части.
Пластическая деформация монокристалла сопровождается искажением кристаллической
структуры, образованием осколков и возникновeниeм остаточных напряжений в
кристалле.
Эти явления, затрудняя процесс дальнейшей деформации, вызывают изменения
механических и физико-химических свойств исходного металла: прочность, твердость,
электросопротивление и химическая активность увеличиваются, при oдноврeменном
уменьшении пластичности, ударной вязкости, магнитной проницаемости и т. д.
Совокупность изменений механических и физико-химических свойств в
результате
холодной
пластической
деформации
называют
упрочнением (или наклепом).
20%
30%
В основу современной теории пластической деформации взяты следующие
положения:
• скольжение распространяется по плоскости сдвига последовательно, а не
одновременно;
• скольжение начинается от мест нарушений кристаллической решетки, которые
возникают в кристалле при его нагружении.
В равновесном состоянии дислокация
неподвижна.
Под действием напряжения
экстраплоскость смещается справа
налево при незначительном
перемещении атомов.
При дальнейшем движении дислокация
пройдет всю плоскость скольжения и
выйдет на поверхность зерна. При этом
верхняя часть зерна сдвинута
относительно нижней на один
межатомный период решетки
Схема дислокационного механизма
пластической деформации
Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных
зерен и деформации в приграничных объемах.
Отдельные зерна деформируются также скольжением и двойникованием
Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых
возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут
разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации.
Деформация приводит к
изменению формы зерен:
зерна получают форму,
вытянутую в направлении
наиболее интенсивного
течения металла
(поворачиваются осями
наибольшей прочности вдоль
направления деформации).
Металл приобретает волокнистое строение. Одновременно с изменением формы зерен в
процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве
их кристаллической решетки. Когда кристаллические решетки большинства зерен
получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.
3 основные характеристики прочности:
1) предел пропорциональности σпц = Pпц /F.
-максимальное напряжение, при котором деформация прямо пропорциональна
нагрузке. Так как это напряжение не вызывает пластической деформации, то
его часто отождествляют с пределом упругости;
2) предел текучести σт = Pт /F.
- максимальное напряжение, при котором происходит рост пластической
деформации без увеличения нагрузки. На диаграмме растяжения для мягких
металлов это напряжение соответствует площадке текучести. Чаще площадка
текучести отсутствует, и тогда определяют условный предел текучести σ02 максимальное напряжение, которое вызывает наперед заданную остаточную
деформацию (в данном случае 0,2 %);
3) предел прочности σв = Pmax /F.
Это максимальное напряжение, которое выдерживает материал до разрушения
при испытании на растяжение.
Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к разрушению образца.
При деформации растяжением или сжатием изменяется длина или высота образца.
В качестве характеристики пластичности материала, его способности деформироваться
под нагрузкой принимается относительное изменение длины или высоты – δ или ε. Эти
величины измеряются в процентах и определяется из соотношений:
  (lk  l0 ) / l0 100%
lk - длина образца после растяжения и
разрушения
l0 - длина образца до испытания
hk - высота образца после сжатия и
разрушения
h0 - высота образца до испытания
  (hk  h0 ) / h0 100%
Разрушение - это заключительная стадия реагирования материала на возрастающее
напряжение.
Различают вязкое и хрупкое разрушение. По времени развития процесса вязкое
разрушение протекает медленно, а хрупкое - быстро. Принципиальное же различие
заключается в том, что при вязком разрушении развитие процесса идет за счет подвода
энергии извне, а хрупкое разрушение происходит за счет запасенной внутренней
энергии (внутренних напряжений).
Механизм
обоих
видов
разрушения
одинаков и заключается в образовании
зародышей трещин и их развитии.
Образование зародышей трещин
происходит на заключительном этапе
пластической деформации.
Если учесть, что пластическая деформация
осуществляется движением дислокаций, и
их количество при деформации возрастает
на несколько порядков, то в месте
скопления движущихся дислокаций перед
препятствием возникает зародыш трещины.
Чем больше величина зародыша трещины, тем больше концентрация
напряжений у ее вершины. Критической величиной зародыша трещины
(Lкрит.) является такая его длина, при которой концентрация напряжений у
вершины трещины становится равной теоретической прочности металла.
Развитие трещин критического размера зависит от величины внутренних напряжений.
При больших внутренних напряжениях развитие зародыша трещины происходит за счет
внутренней энергии в виде быстрого скола и хрупкого разрушения.
При отсутствии внутренних напряжений зародыш трещины имеет большой радиус
закругления, который по мере роста трещины увеличивается, что приводит к
уменьшению концентрации напряжений и остановке трещины. В дальнейшем, по мере
увеличения внешней нагрузки, возрастающее напряжение вновь приводит к росту
трещины, увеличению радиуса закругления ее вершины и опять к ее остановке. В этом
случае развитие трещины происходит медленно и приводит к образованию вязкого
излома.
Способы упрочнения металлов
Для реальных металлов возможны два принципиальных пути упрочнения, т. е.
повышения имеющейся прочности:
1 - получение бездислокационных кристаллов;
2 - торможение движущихся дислокаций.
Известны 4 способа торможения движущихся дислокаций:
•
•
•
•
Деформационное упрочнение.
Упрочнение границами зерен.
Упрочнение атомами растворенных примесей (упрочнение
твердым раствором).
Упрочнение дисперсными частицами.