Упругая и пластическая деформация металлов. Правило отрезков и его применение

ФГБОУ ВПО

Калининградский государственный  технический университет

Контрольная работа

По дисциплине: Материаловедение

Тема: Упругая и пластическая деформация металлов. Правило отрезков и его применение

Проверил: Проект выполнил:

студент группы 11-ЗЭА

Банников Е.В

Калининград 2012

План выполненной работы

1. Упругая и пластическая деформация  металлов

2. Виды разрушения металла

3. Правило отрезков

Список используемой литературы

1. Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация - это изменение формы  и размеров тела, деформация может  вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими  процессами, которые происходят в  теле. К деформациям относятся  такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация - это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре  металла; под действием приложенной  нагрузки происходит незначительное обратимое  смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при  сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического  отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после  снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны  к концентраторам напряжений. Для  этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а  также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых  превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые  связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном  состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием  напряжений может быть упругой и  пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая - это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами  в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под  действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение  решетки исчезает, тело полностью  восстанавливает свою форму и  размеры. Если нормальные напряжения достигают  значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие  касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке  металла под действием касательных  напряжений происходит необратимое  перемещение атомов. При небольших  напряжениях атомы смещаются  незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое  смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую  называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и  его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической  решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой  атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними  атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости  скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут  действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической  решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой  пластичностью, скольжение в них  происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости  скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

деформация металл пластический механический

2. Виды разрушения металла

Разрушение материала возможно:

· хрупкое--от отрыва, получающегося тогда, когда расстояние между двумя смежными элементами тела, расположенными по направлению силового воздействия, увеличится в результате этого воздействия настолько, что силы сцепления между этими элементами окажутся погашенными; разрушению от отрыва соответствует вторая теория прочности (теория наибольших удлинений);

· пластичное -- от сдвига, получающегося тогда, когда будет превзойдено сопротивление взаимному сдвигу двух смежных элементов тела; разрушению от сдвига соответствует третья (теория наибольших касательных напряжений) или четвертая (энергетическая) теория прочности.

Один и тот же материал может  разрушаться и хрупко и пластично  в зависимости от условий, в которых  протекает разрушение. Сталь и  алюминий при обычной температуре, при правильной форме деталей (стержней) и в простых случаях действия сил (растяжение, сжатие, кручение или  изгиб) оказывают меньшее сопротивление  сдвигу, чем отрыву, и разрушаются  пластично. Однако при пониженных температурах, при предварительной вытяжке  или неправильной форме деталей, затрудняющих деформацию сдвига (при  явлении концентрации напряжений), при более сложных напряженных  состояниях, а также в результате других причин сопротивление сдвигу (пластическим деформациям) может оказаться  повышенным и превзойти сопротивление  отрыву, вследствие чего материал разрушится хрупко.

Разрушение от сдвига сопровождается большими деформациями, происходит в  течение длительного времени  и поэтому менее опасно; разрушение от отрыва сопровождается малыми деформациями, происходит внезапно и поэтому более  опасно. Четкое разграничение двух возможных видов разрушения материала--хрупкого и пластичного--принадлежит советским ученым Н. Н. Давиденкову, Я. Б. Фридману, Г. В. Ужику и др.

Таким образом, сооружение может стать  неработоспособным по следующим  двум причинам:

· В результате хрупкого разрушения, т. е. нарушения целостности материала. В стальных и алюминиевых конструкциях вследствие пластичности материала  такое разрушение -- явление достаточно редкое и может быть лишь в специальных случаях, указанных ниже.

· В результате потери способности  сопротивляться при развитии пластических деформаций, что является основным случаем работы стальных и алюминиевых  конструкций. Сталь и алюминий в  пластической стадии теряют сопротивление, если пластические деформации занимают настолько большую часть сечения  элемента, что оставшаяся упругая  часть уже неспособна сопротивляться дальнейшему росту внешних воздействий, деформации элемента растут при постоянной или убывающей нагрузке, и элемент  уже не может сопротивляться действующей  нагрузке.

3. Правило отрезков

В процессе кристаллизации изменяются и концентрация фаз (поэтому состав жидкости изменяется), и количество каждой фазы (при кристаллизации количество твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается). В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обей фаз и их концентрацию. Для  этого служит так называемое правило рычага, или правило отрезков,

В точке а, показывающей состояние  сплава К при температуре t₁, сплав состоит из кристаллов В и жидкости. Выше точки l сплав находится в однофазном состоянии, и концентрация компонентов в этой фазе (т. е. в жидкости) определялась проекцией точки l. При охлаждении из сплава выделяются кристаллы В и состав жидкости изменяется в сторону увеличения в ней компонента ?.? температуре t₁концентрация компонента Вв жидкости определяет проекцией точки b; это максимальное количество компонента B, которое может содержать жидкость при t₁, По достижении эвтектической температуры жидкость принимает эвтектическую концентрацию. Следовательно, при охлаждении сплава К концентрации жидкости меняется по кривой lС. Выделяющиеся кристаллы В имеют постоянный состав -- это чистый компонент В, концентрация которого лежит на вертикальной оси ВВ.

Первое положение правила отрезков формулируется следующим образом.

Чтобы определить концентрации компонентов  в фазах, через данную точку, характеризующую  состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз.

Следовательно, для сплава К при температуре t₁ составы обеих фаз определятся проекциями точек бис, так как эти точки находятся на пересечении горизонтальной линии проходящей через точку а, с линиями диаграммы.

Количество этих фаз также можно  определить. Для определения количества каждой фазы (второе положение правила  отрезков) предположим, что сплав К находится при температуре t₁

Если точка а определяет состояние сплава, точка b-- состав жидкой фазы, а точка с -- состав твердой фазы, то отрезок be - определяет все количество сплава, отрезок ас -- количество жидкости и отрезок bа -- количество кристаллов.

Второе положение правила отрезков формулируется так.

Для того чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими  составы фаз, обратно пропорциональны  количествам этих фаз.

Правило отрезков в двойных диаграммах состояния можно применить только в двухфазных областях. В однофазной области имеется лишь одна фаза; любая точка внутри области характеризует  ее концентрацию.

Список используемой литературы

1. Диаграммы состояния двойных  и многокомпонентных систем на  основе железа. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия, 1986 г.

2. Двойные и многокомпонентные  системы на основе меди. под ред. Шухардина С.В. Наука, 1979 г.

3. Диаграммы состояния двойных  металлических систем ред. Лякишева  Н.П.Машиностроение, 1996-2000 г.