Техникалық механика пәні бойынша Материалдар деформациясы тақырыбына дәріс

Техникалық механика пәні бойынша «Металлдар деформациясы»

тақырыбына дәріс

Жоспар:

1.Деформация, деформацияның түрлері

2.Металлдардың созылу диаграммасы

3.Деформация механизмі

4.Поликристалл деформациясы

5.Металдың қирауы (сынуы)

Деформация дегеніміз сыртқы күш әсерінен дененің пішіні мен өлшемінің өзгеруі. Егер дененің F ауданына түсірілген Р күш перпендикуляр болып келмесе, онда денеде қалыпты кернеу  және жанама кернеу  пайда болады. Денеге әсер ететін күш шамасына байланысты деформация екіге бөлінеді:

1. серпімді;

2. пластикалық (қалдық).

Серпімді деформацияда күш әсері тоқтаған соң, металл бастапқы қалпына келеді (1а, б-сурет). Серпімді деформацияда кернеу мен деформация ара қатысы Гук заңы бойынша өзгереді:

 = Е   (1)

мұндағы  - кернеу;

Е - серпімділік модулі, Е = tg;

 - салыстырмалы деформация, .

Пластикалық деформацияда күш әсері басылған соң, металл бұрынғы қалпына келе алмай, оның пішіні мен өлшемі өзгереді (1в,г-сурет). Өйткені жанама кернеу  артқанда, оның белгілі бір мәнінен бастап, деформация қайтымды бола алмайды. Күш әсері басылғанда деформацияның серпімді бөлігі жойылып, ал қалдық деп аталатын бөлігі қалады, дененің пішіні мен өлшемін өзгертіп.

а - бастапқы металл; б - серпімді деформация; в, г - пластикалық деформация

1-сурет - Металл деформациясы

Металлдардың созылу диаграммасы.

Стандартты үлгіні үзу аспабында статикалық сынау арқылы, яғни баяу өсетін күшпен созып (ГОСТ 1497-84), күш - үлгі созылуы координатында үлгі үзілгенге дейінгі созылу диаграммасын автоматты түрде сызып салады (2-сурет).

Үлгіге түсірілген күш онда кернеу мен деформация тудырады. Кернеу - күштің үлгі көлденең қимасының ауданына қатынасы

, Па (2)

мұндағы Р - үлгіге түсірілген күш, Н;

Ғ_о - үлгінің сынаққа дейінгі көлденең қимасының ауданы, м².

Диаграмманың р, с, s, b нүктелері пропорционалдық, серпімділік, аққыштық және беріктік шегін сипаттайды. Үлгі деформациясының Гук заңына бағынышты тура пропорционал өсетін Р_пц күштің әсерінен болатын кернеу пропорционалдық шек деп аталынады

. (3)

Үлгіде тек серпімді деформация орын алады, күш әсері жойылған соң, үлгі өзінің алғашқы қалпына келеді. Күш шамасын бұдан әрі ұлғайтқанда, үлгіде қалдық деформация пайда бола бастайды.

2-сурет - Аз көміртекті болаттың созылу диаграммасы

Үлгінің 0,001; 0,005; 0,02; 0,05%-ға тең қалдық ұзару алатын кернеуі серпімділік шегі делінеді

. (4)

Серпімділік - металдың күш түскенде өз пішінін өзгертіп, күш тоқтағанда алғашқы қалпына келу қабілеті. Серпімділік шегі серпімді материалдардың маңызды сипаттамасы болып табылады.

Диаграмманың s нүктесінен жоғары күш артпаса да үлгі ұзарып, күш тұрақты болғанның өзінде үлгі «ағады». Үлгінің осы ұзаруына сәйкес кернеуді, оның аққыштық шегі дейді

(5)

Көптеген металл мен қорытпалардың созылу диаграммасында 3.2-суреттің s нүктесіндегідей айқын «ағу» орын ала бермейді. Сол себепті үлгінің қалдық созылуын алдын ала берілген 0,2%-ға жеткізетін кернеу аққыштық шегі болып есептелінеді

. (6)

Аққыштық шегі - статикалық жүктеме жағдайдағы металл немесе қорытпаны есептеудегі негізгі көрсеткіш.

Диаграмманың b нүктесінде үлгіге ең үлкен күш түскенде, оның жіңішкерген жерінде қылта мойын пайда болады. Үлгі үзілер алдындағы ең үлкен күшке сәйкес кернеуді металдың беріктік шегі дейді

. (7)

Материалдың беріктік шегін уақытша қарсыласу шегі деп те атайды.

Беріктік - металдың кернеу мен деформация тудыратын сыртқы күшке қирамай қарсылық көрсету қабілеті.

Үзілу кезіне сәйкес келетін кернеу шамасы қирау шегі деп аталынады

. (8)

Металдың беріктік көрсеткіштерін анықтайтын үлгі бойынша, оның пластикалық қасиетін де анықтайды. Пластикалық - металдың пішін өзгеруін, күш әсері тоқтағаннан кейінгі сақтау қабілеті. Пластикалықтың негізгі сипаттамасы - салыстырмалы ұзару коэффициенті  мен салыстырмалы жіңішкеру коэффициенті .

Үлгінің созылу шамасының бастапқы ұзындағына қатынасы, оның салыстырмалы ұзару коэффициенті деп аталады

(9)

Мұндағы: l₁ - үлгінің сынақтан кейінгі ұзындығы;

l₀ - үлгінің сынаққа дейінгі ұзындығы.

Үлгінің көлденең қимасы ауданының өзгеру шамасының бастапқы ауданына қатынасы, оның салыстырмалы жіңішкеру коэффициенті деп аталынады

, (10)

Мұндағы: Ғ₀ - үлгінің сынаққа дейінгі көлденең қимасының ауданы;

Ғ₁ - үлгінің сынақтан кейінгі көлденең қимасының ауданы.

Көптеген бөлшек жұмыс кезінде қысқа мерзімді соғу күшінің әсеріне ұшырайды. Сол себепті металдың соққы тұтқырлығын анықтайды.

Соққы тұтқырлығы дегеніміз динамикалық күш әсеріне металдың қарсылық көрсету қабілеті. Соққы тұтқырлығын кертікті призмалық үлгіні маятниктік балғамен ұрып сындыру арқылы анықтайды (ГОСТ 9454-78).

Соққы тұтқырлығы КС деп үлгіні сындыруға керекті жұмыстың А үлгінің көлденең қимасы ауданына Ғ қатынасын айтады

, . (11)

Үлгіде үш түрлі кертік болады: U, V, және жарықшағы бар V тәріздес. Осыған сәйкес соққы тұтқырлығы KCU, KCV және КСТ болып белгіленеді.

Деформация механизмі.

Кристалл деформациясы ығысу арқылы жүзеге асады. Ығысу жанама кернеу  мәні межелі немесе аумалы шамадан асқанда басталады. Ығысудың екі түрі бар:

1.сырғу;

2. қосарлау.

Кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қарағанда белгілі кристаллографиялық бағыттармен ығысуы деформацияның негізгі механизмі болып есептелетін сырғуға жатады.

Деформацияның қосарлау механизмінде кристалдың бір бөлігі екінші бөлігімен симметрия түрінде орын алады.

Сырғу атом тығыздығы жоғары келетін жазықтық пен бағыттар арқылы өтеді. Сырғу жазықтығы мен бағыты сырғу жүйесін құрады. Оның саны металл торына байланысты. Мысалы, текше торлы металдың сырғу жүйе саны гексагониалық торлы металға қарағанда көбірек, сол себепті бірінші металдың екіншіге қарағанда пластикалығы жоғары.

Ығысу жазықтығында және оның маңында кристалл торы бұрмаланып, металл беріктенеді. Сондықтан келесі ығысу басқа бір параллель келген жазықтық арқылы өтеді. Сөйтіп, кристалл деформациясы көптеген параллель жазықтықта өтетін ығысудың нәтижесі.

Ығысу үрдісінде сырғу жазықтығындағы барлық атом бір мезгілде қозғалып жылжымайды. Дислокациялық теория бойынша сырғу үрдісі кристалдың дислокация орналасқан жерінен басталады. Жанама кернеу  әсерінен дислокация бір атом аралық қашықтыққа жылжып, сол қашықтықтағы атомдардың орнына орналасады. Ал жазықтықтың бұрынғы атомдары жылжып, «артық» жарты жазықтыққа айналып, солай әрі қарай сырғу үрдісі жалғаса береді (3-сурет).

Жаңадан дислокация құрылып, олардың тығыздығы 10⁵-нен 10¹¹-10¹² см^-2-не дейін артады. Жаңа дислокацияның құрылу механизмінің ең маңыздысы Франк-Рид бастауы.

3-сурет - Деформацияның дислокациялық механизмі

Екі ұшы бекітілген дислокация жанама кернеудің әсерінен жарты шеңбер пішініне дейін ұлғаяды (4-сурет). Содан кейін үрдіс өздігінен жүріп, ол екі спиральға айналады. Спиральдар түйіскен жерден жаңа дислокация түзіліп шығады. Кернеу әсерінен ол тағы да ұлғаяды. Осылай бір дислокациядан жүздеген дислокациялар туындауы мүмкін.

Деформация салдарынан дислокациялар қозғалысқа келіп, жаңа дислокациялар туындап, олар өзара әрекеттесіп, кристалдың жалпы ақауы артып, оның беріктік көрсеткіштері артады.

Поликристалл деформациясы.

Поликристалл деформациясы монокристалдағыдай сырғу және қосарлау арқылы болғанмен өзіндік ерекшеліктері бар. Сырғу жазықтығы мен бағыты әр түйіршіктің әр түрлі болғандықтан, ығысу үрдісі алдымен кернеу бағытымен сәйкес түйіршіктерден басталады (5 б-сурет). Содан кейін басқа түйіршіктер деформациялана бастайды. Түйіршік шекарасы дислокацияларға кедергі келтіреді.

4-сурет - Франк-Рид дислокациялық бастауының құрылу сатысы (1-7)

Деформация өскен сайын түйіршіктердің пішін айырмасы азая береді. Пішіні бастапқыда тең өсті келген түйіршіктер (5 а-сурет) деформация бағытымен созылып (5 в-сурет), субтүйіршіктер түзіліп, ақау тығыздығы артады. Деформация дәрежесі ұлғайған кезде кристалл түйіршіктерінің сыртқы күш бағытымен заңды бағыттасуы деформация текстурасы деп аталынады.

а) б) в) г)

а -  = 0%; б -  = 1%; в -  = 40%; г -  = 80 - 90%

5-сурет - Деформацияланған поликристалл металдың

құрылым өзгерісі

Деформация нәтижесінде металдың беріктік көрсеткіштері (_в, _0,2, HRC) артып, пластикалық қасиеттері (, ) және соққы тұтқырлығы (KCU) төмендейді (6-сурет). Кристалдың деформациядан беріктенуінің себебі дислокациялардың жинақталуынан, жалпы ақау тығыздығының көбеюінен.

6-сурет - Металдың механикалық қасиеттеріне

деформация дәрежесінің әсері

Металдың аққыштық шегі мен дислокация тығыздығы арасындағы байланыс мына формуламен анықталады

, (12)

мұндағы ₀ - кристалда дислокацияны жылжытуға керекті кернеу;

 - дислокациялық беріктену коэффициенті;

G - ығысу модулі;

b - Бюргерс векторы;

 - дислокация тығыздығы.

Металда дислокация тығыздығы артқан сайын бірінші және екінші текті ішкі кернеулер пайда болып, олардың шамасы ұлғая түседі. Деформация дәрежесі металдың механикалық қасиеттерімен бірге, оның физика-химиялық қасиеттеріне әсер етеді.

Металдың қирауы (сынуы).

Металдың қирауы деп жарықшақтың туындауы және ұлғаюы әсерінен, оның бірнеше бөлікке бөлінуін айтады. Металдың сынуы тұтқыр және морт болып екіге бөлінеді.

Металда жарықшақ өскінінің пайда болуы 7-суретте келтірілген. Әр түрлі түйір, түйіршік шекарасы және т.б. кедергілердің алдына дислокацияның жиналуы жарықшақты туындатуы мүмкін. Дислокация тығыздығы 10¹²-10¹³ см^-2-не жеткенде сырғу жазықтығына перпендикуляр жазықтықта жарықшақ пайда болады. Егер пайда болған жарықшақ өздігінен ұлғайып тез өссе, онда металдың морт сынуы орын алады. Металдың тұтқыр сынуында жарықшақтың ұлғаю жылдамдығы баяу болады.

7-сурет - Жарықшақтың (1) пайда болуы

Металдың кернеу - деформация диаграммасы 8-суретте көрсетілгендей болсын дейік. Диаграмманың Ж нүктесінде металда жарықшақ пайда болсын. Ж нүктесінен кейін жарықшақтың ұлғайып өсуі орын алады. Сонда ОЖТ қисығының ауданы жарықшақтың туындауына керекті жұмысты а_з көрсетсе, ТЖС қисығының ауданы жарықшақтың ұлғаюына керекті жұмысты а_р көрсетеді.

Металдың соққы тұтқырлығы жарықшақтың пайда болу және ұлғаю жұмыстырының сипаттамасы

KCU = а_з + а_р. (13)

Жарықшақтың ұлғаю жылдамдығына қарай Ж нүктесінен кейін металл не тұтқыр, не морт сынады. Егер жарықшақтың ұлғаюы біраз жұмысты керек етсе а_р>>0, онда металл тұтқыр сынады. Егер Ж нүктесінен кейін а_р≈0 болса, онда металл морт сынады. Металдың сынуы аралық болуы да мүмкін, алдымен тұтқыр, содан кейін морт.

8-сурет - Металдың кернеу - деформация диаграммасы

Металдың тұтқыр сынуының мортқа ауысу температура аралығы суықта сынғыштық табалдырығы t_в, t_н деп аталады. Кертікті стандарт үлгінің +20, 0, -20, 40^оС т. с.с. температурада соққы тұтқырлығын табу арқылы суықта сынғыштық табалдырығының жоғары t_в және төменгі шекарасын t_н анықтайды.

Металдың суықта сынғыштық табалдырығына кристалл торы, химиялық құрам, түйіршік өлшемі, деформация жылдамдығы, үлгі өлшемі және т. б. әсер етеді.