Испытание металлов на растяжение. Диаграмма растяжения. Определение относительного удлинения. Обозначение. Область применения

ВАРИАНТ

ВОПРОС 1

Пластическая деформация металлов. Упругая и пластическая деформации. Полиморфизм металлов.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений. При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий.

Рис. 1 - Схема процесса деформации

Даже незначительное усилие вызывает упругую деформацию, которая в чистом виде наблюдается только при нагрузках до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от нагрузки и упругим изменениям межатомных расстояний. При нагрузках выше точки А в отдельных зернах металла, ориентированных наиболее благоприятно относительно направления деформации, начинается пластическая деформация. Дальнейшее увеличение нагрузки вызывает и увеличение упругой, и пластической деформации (участок АВ). При нагрузках точки В возрастание упругой деформации прекращается. Начинается процесс разрушения, который завершается в точке С.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой (на расстояния больше межатомных) под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.

Атомы при пластической деформации сдвигаются на расстояния больше междуатомных (происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой), при этом невозможо притяжение атомов и возобновление первоначальной структуры. При пластической деформации напряжение превышает предел текучести.

Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов (железо, кобальт, титан олово, марганец, ванадий, стронций, кальций, цирконий и др.) в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следовательно, и свойства при различных температурах. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называется аллотропическим (полиморфным)превращением. Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, как их называют, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать α, а при более высокой – β, затем γ и т. д.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки. Железо имеет две полиморфные модификации αFe (ферит) и γFe (аустенит). Модификация α-железа существует при температурах ниже 910°С и выше 1392°С. В интервале температур 1392–1539°С α-железо иногда обозначают как δ-железо.

ВОПРОС 2

Испытание металлов на растяжение. Диаграмма растяжения. Определение относительного удлинения. Обозначение. Область применения.

Прочность - свойство материалов сопротивляться разрушению или пластической деформации под действием внешней нагрузки. Наиболее простым и распространенным методом определения прочности материала является испытание его на растяжение (рисунок 1). Концы образца металла круглого сечения зажимают в разрывной машине и подвергают действию растягивающей нагрузки Р.

Рис. 2 - Метод определения прочности на растяжение. ι_о - начальная длина; F₀- начальная площадь поперечного сечения; Δι - удлинение; ι_к - конечная длина образца в момент разрыва; F_к - площадь поперечного сечения образца в месте разрыва

Диаграмму растяжения можно построить в координатах «нагрузка Р -удлинение Δι» или в координатах «напряжение σ - относительная деформация ε». σ= Р/F₀ и ε= Δι/ι₀ ×100% (рисунок 2).
Под действием нагрузки в материале возникают деформации. Деформацией называется изменение размеров и формы тела, она может быть упругой и пластической. Упругой называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешней силы Р. На рисунке 2 упругая деформация характеризуется прямолинейным участком ОА. При упругой деформации изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. При снятии нагрузки атомы становятся на прежние места и деформация исчезает.

Рис.3- Диаграмма растяжения

Пластическая деформация наступает, когда напряжение превышает предел упругости (выше точки А) и после снятия нагрузки форма, структура и свойства тела не восстанавливаются полностью, т.е. имеет место остаточная деформация. На практике напряжение, при котором начинается пластическая деформация, оценивается пределом текучести σ_T. Его легко определить, если на диаграмме растяжения имеется площадка текучести (горизонтальный участок). Однако, многие материалы имеют диаграмму растяжения без площадки текучести (медь, латуни, алюминий и др.), тогда за предел текучести принимают напряжение, которое вызывает остаточное удлинение 0,2 % и обозначают σ_0,2. σ_T называют физическим, а σ_0.2 условным пределом текучести. Предел текучести используют в качестве одного из показателей прочности материала. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением (σ_B) или чаще пределом прочности, оно измеряется в МПа. На рисунке 2 это максимальная точка на кривой σ-ε.

При пластической деформации часть кристалла сдвигается относительно другой части. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место, деформация сохранится. Под пластичностью понимают свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием внешней нагрузки или внутренних напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и размеры после прекращения этого влияния. Пластичность материала характеризуется:
Относительным удлинением (δ,%):

Способность металла пластически деформироваться является его важнейшим и полезнейшим свойством. Это свойство используется при изготовлении деталей гибкой, вытяжкой, штамповкой и т.д. Большое значение это свойство имеет и для повышения надежности металлических конструкций. Если у материала способность к пластическому деформированию низка, то он в изделиях склонен к внезапным хрупким разрушениям.