Что такое эластичность металла
Обновлено: 19.09.2024
Чтобы машина работала долго и надежно в различных условиях, необходимо ее детали изготовлять из материалов, имеющих определенные физические, механические, технологические и химические свойства.
Физические свойства. К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления, расширение при нагревании.
Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.
Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.
Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.
Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.
Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.
Расширение металлов при нагревании является важной характеристикой. Поскольку при сварке происходит местный нагрев (нагрев лишь небольшого участка изделия), то изделие в различных частях нагревается до разных температур, что приводит к деформированию (короблению) изделия. Две детали, изготовленные из разных металлов и нагретые до одинаковой температуры, будут расширяться по-разному. Поэтому, если эти детали будут скреплены между собой, то при нагревании могут изогнуться и даже разрушиться.
Усадка — уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. В процессе усадки металла сварного шва наблюдается коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Каждый металл имеет свою величину усадки. Чем она больше, тем труднее получить качественное соединение.
Механические свойства. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.
Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.
Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).
Механические свойства выявляются при воздействии на металл растягивающих, изгибающих или других сил. Механические свойства металлов характеризуются: 1) пределом прочности в кг/мм2; 2) относительным удлинением в %;3) ударной вязкостью в кгм/см2; 4) твердостью; 5) углом загиба. Перечисленные основные свойства металлов определяются следующими испытаниями: 1) на растяжение; 2) на загиб; 3) на твердость; 4) на удар. Все эти испытания производятся на образцах металла при помощи специальных машин.
Испытание на растяжение. Испытанием на растяжение определяют предел прочности и относительное удлинение металла. Пределом прочности называется усилие, которое надо приложить на единицу площади поперечного сечения образца металла, чтобы разорвать его.
Для испытания на растяжение изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТ 1497-42. На рисунке представлены размеры и форма цилиндрических образцов для испытания на растяжение на специальных разрывных машинах» Головки образца закрепляют в захваты машины, после чего дают нагрузку, растягивающую образец до разрушения. Если величину разрушающего усилия выраженного в килограммах, разделить на число квадратных миллиметров поперечного сечения образца Fo9 то получим величину предела прочности в килограммах на квадратный миллиметр (предел прочности обозначается ов):
Для испытания листового металла изготовляют плоские образцы. На рисунке, в показаны размеры и форма плоских образцов для испытания сварных соединений. Малоуглеродистые стали имеют предел прочности около 40 кг/мм2 стали повышенной прочности и специальные — 150 кг/мм2. Для вычисления относительного удлинения, обозначаемого Ъ, определяют сначала абсолютное удлинение образца. Для этого разорванные части образца плотно прикладывают друг к другу и замеряют расстояние между метками границ расчетной длины (получают размер /). Затем из полученной длины вычитают первоначальную расчетную длину образца /о, остаток делят на первоначальную расчетную длину и умножают на 100.
Относительное удлинение металла есть выраженное в процентах отношение остающегося после разрыва увеличения длины образца К его первоначальной длине.
Относительное удлинение малоуглеродистой стали примерно равно 20%. Относительное удлинение характеризует пластичность металла, оно снижается с повышением предела прочности.
Испытание на твердость. В нашей промышленности для определения твердости металла чаще всего применяется прибор Бринеля или Роквелла. Твердость по Бринелю определяют следующим образом. Твердый стальной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм вдавливается под прессом в испытуемый металл. Затем при помощи бинокулярной трубки измеряют диаметр отпечатка, который получился под шариком на испытуемом металле. По диаметру отпечатка и по соответствующей таблице определяют твердость по Бринелю.
Твердость некоторых сталей в единицах по Бринелю:
Малоуглеродистая сталь. ИВ 120—130
Сталь повышенной прочности . ИВ 200—300 Твердые закаленные стали. ИВ 500—600
С увеличением твердости пластичность металла снижается. Испытание на удар. Этим испытанием определяют способность металла противостоять ударным нагрузкам. Испытанием на удар определяют ударную вязкость металла.
Ударная вязкость определяется путем испытания образцов на специальных маятниковых копрах. Для испытания применяются специальные квадратные образцы с надрезом (фиг. 11,е). Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок и тем менее надежен в работе такой металл. Чем выше ударная вязкость, тем металл лучше. Хорошая малоуглеродистая сталь имеет ударную вязкость, равную 10—15 кгм/см2.
Во многих случаях для проверки пластичности металлов или сварных соединений применяют технологические испытания образцов, к которым относятся испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание и др.
Испытания на загиб. Для проведения испытания на загиб образец из металла укладывается на шарнирных опорах и нагрузкой, приложенной посредине, изгибается до появления трещин на выпуклой стороне образца. После этого испытание прекращают и измеряют величину внешнего угла а. Чем больше угол загиба, тем пластичнее металл. Качественная малоуглеродистая сталь дает угол загиба 180°.
Для определения пластичности сварного соединения вырезают такой же плоский образец со сварным швом, расположенным посредине, и со снятым усилением.
Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Этой пробе обычно подвергают отрезки сварных труб диаметром 22—52 мм со стенками толщиной от 2,5 до 10 мм. Проба заключается в сплющивании образца под прессом до получения просвета между внутренними стенками трубы, равного учетверенной толщине стенки трубы. При этом испытании образец не должен давать трещин.
Технологические свойства. В эту группу свойств входят свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и другие. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.
Свариваемость — свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно— другим. Например, дюралюминий удовлетворительно сваривается точечной сваркой и плохо — газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо — дуговой и т. д.
Жидкотекучесть — способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литерную форму.
Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.
Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.) при различных операциях механической обработки (резание, фрезерование и т. д.).
Химические свойства. Под химическими свойствами металлов подразумевается их способность вступать в соединение с различными веществами и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с вредными для него элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов под действием окружающей их среды (воздуха, влаги, растворов солей, кислот, щелочей) называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали (нержавеющие, кислотостойкие и т. п.).
УПРУГОСТЬ, МОДУЛЬ УПРУГОСТИ, ЗАКОН ГУКА
УПРУГОСТЬ, МОДУЛЬ УПРУГОСТИ, ЗАКОН ГУКА. Упругость – свойство тела деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать первоначальную форму и размеры после ее снятия. Проявление упругости лучше всего проследить, проведя простой опыт с пружинными весами – динамометром, схема которого показана на рис.1.
При нагрузке в 1 кг стрелка-индикатор сместится на 1 деление, при 2 кг – на два деления, и так далее. Если нагрузки последовательно снимать, процесс идет в обратную сторону. Пружина динамометра – упругое тело, ее удлинение D l, во-первых, пропорционально нагрузке P и, во-вторых полностью исчезает при полном снятии нагрузки. Если построить график, отложить по вертикали оси величины нагрузки, а по горизонтальной – удлинение пружины, то получаются точки, лежащие на прямой, проходящей через начало координат, рис.2. Это справедливо как для точек, изображающих процесс нагружения так и для точек, соответствующих нагрузке.
Угол наклона прямой характеризует способность пружины сопротивляться действию нагрузки: ясно, что «слабая» пружина (рис.3). Эти графики называются характеристиками пружины.
Тангенс угла наклона характеристики называется жесткостью пружины С. Теперь можно записать уравнение деформирования пружины D l = P / C
Жесткость пружины С имеет размерность кг / см\up122 и зависит от материала пружины (например, сталь или бронза) и ее размеров – длины пружины, диаметра ее витка и толщины проволоки, из которой она сделана.
В той или иной мере все тела, которые можно считать твердыми, обладают свойством упругости, но заметить это обстоятельство можно далеко не всегда: упругие деформации обычно очень малы и наблюдать их без специальных приборов удается практически только при деформировании пластинок, струн, пружин, гибких стержней.
Прямым следствием упругих деформаций являются упругие колебания конструкций и природных объектов. Можно легко обнаружить дрожание стального моста, по которому идет поезд;иногда можно услышать, как звенит посуда, когда на улице проезжает тяжелый грузовик; все струнные музыкальные инструменты так или иначе преобразуют упругие колебания струн в колебания частичек воздуха;в ударных инструментах тоже упругие колебания (например, мембраны барабана) преобразуются в звук.
При землетрясении происходят упругие колебания поверхности земной коры; при сильном землетрясении кроме упругих деформаций возникают пластические (которые остаются после катаклизма как изменения микрорельефа), а иногда появляются трещины. Эти явления не относятся к упругости: можно сказать, что в процессе деформирования твердого тела сначала всегда появляются упругие деформации, потом пластические, и, наконец, образуются микротрещины. Упругие деформации очень малы – не больше 1%, а пластические могут достигнуть 5–10% и более, поэтому обычное представление о деформациях относится к пластическим деформациям – например, пластилин или медная проволока. Однако, несмотря на свою малость, упругие деформации играют важнейшую роль в технике: расчет на прочность авиалайнеров, подводных лодок, танкеров, мостов, туннелей, космических ракет – это, в первую очередь, научный анализ малых упругих деформаций, возникающих в перечисленных объектах под действием эксплуатационных нагрузок.
Еще в неолите наши предки изобрели первое дальнобойное оружие – лук и стрелы, используя упругость изогнутой ветки дерева; потом катапульты и баллисты, построенные для метания больших камней, использовали упругость канатов, свитых из растительных волокон или даже из женских длинных волос. Эти примеры доказывают, что проявление упругих свойств было давно известно и давно использовалось людьми. Но понимание того, что любое твердое тело под действием даже небольших нагрузок обязательно деформируется, хотя и на очень малую величину, впервые появилось в 1660 у Роберта Гука, современника и коллеги великого Ньютона. Гук был выдающимся ученым, инженером и архитектором. В 1676 он сформулировал свое открытие очень кратко, в виде латинского афоризма: «Ut tensio sic vis», смысл которого состоит в том, что «какова сила, таково и удлинение». Но опубликовал Гук не этот тезис, а только его анаграмму: «ceiiinosssttuu». (Таким образом тогда обеспечивали приоритет, не раскрывая сути открытия.)
Вероятно, в это время Гук уже понимал, что упругость – универсальное свойство твердых тел, но считал необходимым подтвердить свою уверенность экспериментально. В 1678 вышла книга Гука, посвященная упругости, где описывались опыты, из которых следует, что упругость есть свойство «металлов, дерева, каменных пород, кирпича, волос, рога, шелка, кости, мышцы, стекла и т.п.» Там же была расшифрована анаграмма. Исследования Роберта Гука привели не только к открытию фундаментального закона упругости, но и к изобретению пружинных хронометров (до того были только маятниковые). Изучая различные упругие тела (пружины, стержни, луки), Гук установил, что «коэффициент пропорциональности» (в частности, жесткость пружины) сильно зависит от формы и размеров упругого тела, хотя материал играет решающую роль.
Прошло более ста лет, в течение которых опыты с упругими материалами проводили Бойль, Кулон, Навье и некоторые другие, менее известные физики. Одним из основных опытов стало растяжение пробного стержня из изучаемого материала. Для сравнения результатов, полученных в разных лабораториях, нужно было либо использовать всегда одинаковые образцы, либо научиться исключать слияние размеров образца. И в 1807 появилась книга Томаса Юнга, в которой был введен модуль упругости – величина, описывающая свойство упругости материала независимо от формы и размеров образца, который использовался в опыте. Для этого нужно силу P, приложенную к образцу, разделить на площадь сечения F, а произошедшее при этом удлинение D l разделить на первоначальную длину образца l. Соответствующие отношения – это напряжение s и деформация e .
Теперь закон Гука о пропорциональности можно записать в виде:
Коэффициент пропорциональности Е называется модулем Юнга, имеет размерность, как у напряжения (МПа), а обозначение его есть первая буква латинского слова elasticitat – упругость.
Модуль упругости Е – это характеристика материала того же типа, как его плотность или теплопроводность.
В обычных условиях, чтобы продеформировать твердое тело, требуется значительная сила. Это означает, что модуль Е должен быть большой величиной – по сравнению с предельными напряжениями, после которых упругие деформации сменяются пластическими и форма тела заметно искажается.
Если измерять величину модуля Е в мегапаскалях (МПа), получатся такие средние значения:
| Сталь | 20·10 4 |
| Медь | 10·10 4 |
| Алюминий | 7·10 4 |
| Стекло | 7·10 4 |
| Кость | 3·10 4 |
| Дерево | 1·10 4 |
| Резина * | 0,001·10 4 |
Физическая природа упругости связана с электромагнитным взаимодействием (в том числе с силами Ван-дер-Ваальса в решетке кристалла). Можно считать, что упругие деформации связаны с изменением расстояния между атомами.
Упругий стержень имеет еще одно фундаментальное свойство – утоньшаться при растяжении. То, что канаты при растяжении становятся тоньше, было известно давно, но специально поставленные опыты показали, что при растяжении упругого стержня всегда имеет место закономерность: если измерить поперечную деформацию e ', т.е. уменьшение ширины стержня d b , деленное на первоначальную ширину b, т.е.
и разделить ее на продольную деформацию e , то это отношение остается постоянным при всех значениях растягивающей силы P, то есть
Модуль упругости E и коэффициент Пуассона вместе образуют пару величин, которые полностью характеризуют упругие свойства любого конкретного материала (имеются в виду изотропные материалы, т.е. такие, у которых свойства не зависят от направления; пример древесины показывает, что это не всегда так – ее свойства вдоль волокон и поперек волокон сильно различаются. Это – анизотропный материал. Анизотропными материалами являются монокристаллы, многие композиционные материалы (композиты) типа стеклопластика. Такие материалы тоже в известных пределах обладают упругостью, но само явление оказывается значительно более сложным).
Если от рассмотрения растяжения стержня перейти к рассмотрению некоторого упругого тела, подверженного действию заданных сил, то следует выбрать некоторую точку M и перейти к рассмотрению ее малой окрестности в виде параллелепипеда с ребрами, параллельными координатным осям XYZ. Как известно (см. ДЕФОРМАЦИЯ), на гранях параллелепипеда действуют напряжения, которые задаются тензором s , что приводит к деформациям, которые задаются тензором e .
В общем случае закон Гука устанавливает связь между компонентами этих тензоров, которую можно записать в виде:
В последние три уравнения входит величина G, которая называется модулем сдвига и выражается через E и v по формуле:
Модуль сдвига можно непосредственно определить из опыта на кручение круглого образца.
В физике для идеального газа вводится уравнение состояния (уравнение Клапейрона – Менделеева). Можно сказать, что закон Гука – это уравнение состояния для идеально упругого тела.
Владимир Кузнецов
Ильюшин А.А., Ленский В.С. Сопротивление материалов. М., Физматгиз, 1959
Гордон Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол? М., Мир, 1971
Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., Высшая школа, 1981
ПЛАСТИЧНОСТЬ
ПЛАСТИЧНОСТЬ – свойство твердых тел изменять форму и размеры под влиянием внешних нагрузок и сохранять ее, когда нагрузки перестают действовать (после снятия нагрузок).
Первое представление о свойстве материала, называемом пластичностью, дает комок пластилина, который под давлением пальцев легко меняет форму, и сохраняет новую форму после действия на него (в отличие о растянутой пружинки, которая опять сожмется, если ее отпустить В этом смысле говорят, что пружинка упруга, а пластилин пластичен. Пластилин и пластичность – слова одного корня, от греческого слова пластика, что значит лепка, от глагола «лепить» (из глины).
Чтобы получить более точное представление о свойстве пластичности, можно сделать (или представить себе) простой опыт. Пусть есть вытянутый параллелепипед (стержень) из пластилина, длинное ребро которого составляет приблизительно 10 см, а малая грань представляет собой квадрат 1 см × 1 см. Пусть этот стержень опирается концами на две опоры («мостик»). Если на средину стержня класть металлические грузики (например, монеты), то пока нагрузка невелика, изменение формы стержня на глаз незаметно. При дальнейшем нагружении обнаруживается, что в некоторый момент стержень прогибается и становится криволинейным. Если убрать все грузики, криволинейная форма все равно сохранится.
Этот опыт показывает, что стержень из материала, обладающего свойством пластичности, сопротивляется действию нагрузок, почти не изменяя свою форму, до тех пор, пока нагрузка не превысит некоторый порог, после чего происходит заметное изменение формы, сохраняющееся и после снятия нагрузки. В этом суть пластичности, но не вся – изменение формы (деформирование) зависит только от приложенной нагрузки и не изменяется само по себе с течением времени. Если деформирование при неизменной нагрузке все же происходит, то материал называют не пластическим, а вязкопластическим или вязкоупругим (см. РЕОЛОГИЯ; ПОЛЗУЧЕСТЬ). Конечно, пластилин – это знакомый и наглядный пример пластического материала. Важно то, что свойство пластичности присуще очень многим конструкционным материалам. В первую очередь, это – металлы и сплавы – сталь, железо, медь, алюминий и другие, но представление о пластическом деформировании оказывается очень полезным и для понимания процессов деформирования композиционных материалов, в том числе металлокерамических, углеродных и полимерных.
Пластичность материала как бы противопоставлена упругости: пластическое тело сохраняет приданную ему форму, а упругое – восстанавливает первоначальную. Но пластичность противопоставляется еще и хрупкости: пластическое тело отвечает на увеличение нагрузки заметным изменением формы, а хрупкое (например, стекло) – появлением трещин и разрушением.
Изучение пластичности развивается по двум направлениям: одно из них связано, в первую очередь, с проблемами техники и цель его – ответ на вопрос: если конструкция подвергается воздействию внешних сил известной величины, каково при этом меняется форма – т.е. как она деформируется? Это важно знать конструктору, но есть и еще одно важное обстоятельство: обычно пластичность предшествует разрушению, так что изучение пластических деформаций является основой прогноза прочности и долговечности конструкции.
Второе направление изучения пластичности – это исследование того, что происходит в материале, как говорят, на микроуровне, т.е., что происходит внутри материала, например, при пластическом изгибе балки. Можно, по аналогии с опытом на изгиб стержня, сделать опыт на его растяжение: верхний конец стержня (его обычно называют образцом) закрепляют, а к нижнему прикладывают нагрузку. В этом случае заметить на глаз изменение длины образца трудно, но если измерять деформации специальными приборами, то обнаруживается, что процесс деформирования оказывается похожим на тот, что и в опыте с изгибом: при постепенном возрастании растягивающей нагрузки сначала проявляются очень малые упругие деформации, когда же нагрузка достигает порогового значения, то деформации (теперь уже, в основном, пластические) становятся, во-первых, более существенными, а, во-вторых, необратимыми (т.е. не исчезают после снятия нагрузки).
При этом обнаруживаются интересные явления. Если в опыте на растяжение использовать стальной образец в виде длинной пластинки с полированной (зеркальной) поверхностью, то в процессе пластического деформирования на этой поверхности появляется много близких тонких параллельных прямых линий, ориентированных под углом 45° к оси образца (ось образца – здесь прямая линия, проходящая посредине пластинки, параллельно ее длинным сторонам). Эти линии называются линиями Людерса – Чернова (по фамилиям открывших их ученых).
Микроскопический анализ этих линий показывает, что они появляются в результате того, что в материале пластинки происходит сдвиг, т.е. один тонкий слой как бы сдвигается относительно второго, второй – относительно третьего и т.д., как карты в колоде. Можно сказать, что линии Людерса – Чернова и есть границы сдвигающихся слоев. На рис.1 схематически изображена картина такого деформирования. Эта схема позволяет понять, как такие сдвиги приводят к пластическому удлинению образца и почему после снятия нагрузки пластические деформации не исчезают. Более сложные и точные опыты показали, что пластические деформации металлов и сплавов всегда вызываются сдвигами внутри материала. Кроме того, в пористых материалах происходят деформации, по внешним проявлениям очень сходные с пластическими, но связанные с уменьшением пор. Наиболее знакомым пористым материалом является пенопласт; в технике пористые материалы создает порошковая металлургия, где детали прессуются из металлического порошка.
Можно довольно точно описать картину деформирования, считая, что упругие деформации тела – это результат изменения расстояния между атомами, из которых оно состоит, а пластические деформации – результат сдвигов.
Итак, пластичность – результат сдвигов. А как происходят сами сдвиги? На этот вопрос (и на многие другие) отвечают разделы физики: физика твердого тела, теория дислокаций, физика металлов и т.д.
Таковы два направления, по которым исследуется пластичности, первое называется феноменологическим – оно изучает феномен пластичности так, как его можно наблюдать в опытах с образцами и нагрузками, и не опирается на результаты микроскопических опытов. Феноменологическое изучение пластичности металлов начинается с классического опыта на растяжение. Его результаты представляются в виде графиков (рис. 2), где по вертикальной оси откладывается напряжение s, равное растягивающей силе P, отнесенной к площади сечения образца F, т.е.
а по горизонтали – деформация образца e, равная удлинению dl образца (под действием силы P), отнесенному к его первоначальной длине l.
На рис. 2 изображен график, который называется «кривой растяжения»; материал – одна из марок стали. В начале нагружения (на графике от точки O до точки A) напряжение и деформация оказываются пропорциональными, т.е. имеет место закон Гука. Коэффициент пропорциональности называется модулем упругости (или модулем Юнга) E. Точка A на графике называется пределом упругости – после нее пропорциональность, свойственная упругости, сменяется криволинейной зависимостью, причем теперь деформация растет значительно быстрее, чем напряжение. Если в некоторой точке B мы начнем уменьшать напряжение (это называется разгрузкой), то на графике получится кривая, мало отличающаяся от прямой – BC со стрелкой вниз. Если, доведя напряжение до нуля, снова его увеличивать, на графике получится кривая CB1 (со стрелкой вверх), причем далее эта кривая плавно перейдет в кривую B1D, которая получилась бы при деформировании образца без разгрузки. Для простоты обычно обе кривые, BC и CB1, заменяют отрезком прямой B2C, который параллелен отрезку OA.
Есть несколько вариантов теории пластичности, которые отличаются, с одной стороны, тем, насколько точно они учитывают реальные особенности процесса деформирования упруго-пластического материала, и, с другой стороны, используемым математическим аппаратом. Одни теории являются менее точными, но более простыми и удобными для расчетов, что очень важно, так как расчет пластических деформаций в телах сложной формы представляет собой очень трудную задачу даже при использовании современных компьютеров. Другие теории могли бы обеспечить высокую точность, но приводят к очень большим трудностям, как математическим, так и экспериментальным. По-видимому, создание «идеальной» теории, сочетающей физическую наглядность, математическую простоту и в то же время обеспечивающей адекватное описание процессов пластического деформирования, является делом будущего. Но даже «простые» теории пластичности на самом деле достаточно сложны, так как требуют знания и понимания многих экспериментальных результатов и серьезной математической подготовки. В качестве примера можно рассмотреть идею самой простой теории пластичности.
В самом простом случае опыта на растяжение образца процесс упругого деформирования описывается законом Гука
За пределом упругости пропорциональности нет, но экспериментальную кривую растяжения можно описать, если считать, что модуль упругости E при этом перестает быть постоянной величиной и становится функцией деформации, т.е.
В этих формулах появляется новая функция w = w(e), которая называется функцией пластичности и должна быть найдена из экспериментальных данных.
Видно, что функция w(e) тождественно равна нулю при упругих деформациях и возрастает при пластических. Тогда ясно, что и упругие, и пластические деформации описываются уравнением, обобщающим закон Гука
Это уравнение описывает кривую деформирования, из которой оно, по существу, и получено и это так, пока речь идет только об опыте на растяжение. Но теория пластичности должна «уметь» описывать любые процессы деформирования – например, и кручение, и изгиб, и их совместное проявление, а для этого формулу необходимо существенно обобщить и сформулировать аналогичные по сути, но неизмеримо более сложные соотношения, которые связывали бы шесть компонент тензора деформаций с шестью компонентами тензора напряжений. Здесь и начинаются сложности.
Классическая деформационная теория называется «теорией малых упругопластических деформаций». Эта теория основана на трех экспериментальных фактах:
1. При различных упругопластических деформациях в каждой точке тела существует универсальная функциональная зависимость между среднеквадратичным значением сдвиговых деформаций и аналогичным среднеквадратичным значением сдвиговых напряжений.
2. При упругопластическом деформировании материала изменение объема всегда происходит упруго.
3. Первые два утверждения справедливы только при условии, что все внешние силы, действующие на тело, возрастают пропорционально друг другу (точнее – пропорционально одному параметру, например, времени). Это так называемое «простое» или «пропорциональное» нагружение.
Чтобы правильно понять эти три утверждения, нужно принять во внимание следующее:
Теория пластичности, как и все эмпирические теории, по своему существу является теорией приближенной. Это означает, что при известных условиях, когда она может описывать физическую реальность («условия применимости»), эмпирическая теория эту реальность описывает с относительно небольшой, но всегда присутствующей погрешностью (проще говоря, с небольшой ошибкой).
Теория пластичности, о которой идет речь, может дать ответ с погрешностью, близкой к 10%. И почти всегда такая погрешность оказывается вполне приемлемой – говорят, что «теория хорошо работает».
Математическая формулировка теории: пусть есть тензор деформации e ij и тензор напряжений sij. Требуется написать формулы (соотношения), которые связывают эти тензоры при малых упругопластических деформациях, подобно тому, как закон Гука связывает их при упругих деформациях.
Учитывая различные закономерности объемного и сдвигового деформирования, можно разделить тензоры на объемную (шаровую) и сдвиговую (девиаторную) части:
Следующий шаг – установление связи сдвиговых напряжений с деформацииями, поскольку пластичность – это сдвиги.
Для девиатора деформаций среднеквадратичный сдвиг в данной точке определяется формулой
Аналогично, среднеквадратичное сдвиговое напряжение определяется:
(величины и часто называют «интенсивностями» напряжений и деформаций). Теперь можно математически записать первый постулат:
Это и есть универсальная функциональная зависимость между и , а универсальна она в том смысле, что имеет место в любой точке тела и при любом виде деформаций (изгиб, кручение, их комбинация и т.д.). Функция считается известной, а фактически должна быть найдена из обработки результатов эксперимента. Так как в силу универсальности она одинакова всегда, в частности, в любом опыте, то удобно использовать опыт на кручение трубки, из которого эта функция определяется особенно легко.
В пределах упругости , и зависимость между и превращается в закон Гука. В теории пластичности считается, что в любой точке тела пластические деформации появляются тогда, когда величина достигает некоторого значения es. Это значение находится из эксперимента и называется пределом текучести по деформациям. Таким образом, условие появления первых пластических деформаций запишется в виде
Это условие называется условием пластичности Хубера – Мизеса. Таким образом, можно окончательно записать
Второй постулат записывается в виде: s = KQ
где s – среднее нормальное напряжение (давление) в данной точке, а Q – относительное изменение объема малой частицы, окружающей эту точку. Число K > 0 называется объемным модулем упругости. Таким образом, относительное изменение объема малой частицы пропорционально среднему нормальному напряжению в этой частице.
Теперь можно записать определяющие соотношения теории малых упругопластических деформаций:
Девиаторы напряжений и деформаций связаны пропорциональной зависимостью
Коэффициент пропорциональности за пределами упругости перестает быть постоянным и становится переменной величиной:
Функция становится отличной от нуля при выполнении неравенства, связанного с условиями пластичности Хубера–Мизеса
Шаровые тензоры напряжений деформаций всегда пропорциональны
или, что эквивалентно,
Все это справедливо только при пропорциональном нагружении, которое иногда называют простым, так как сложное нагружение – это непропорциональное нагружение. Оказывается, что в опыте, когда трубка подвергается растяжению силой P и кручению моментом M, деформации будут различными, в зависимости от того, как прикладываются нагрузки: сразу обе, сначала M, потом P, или наоборот. Это обстоятельство приводит к тому, что теорию пластичности при сложном нагружении уже нельзя построить по аналогии с теорией упругости.
Приведенная теория была разработана, экспериментально и теоретически обоснована и внедрена в инженерную практику работами А.Ильюшина, который опирался на работы своих предшественников – в первую очередь, Х.Хенки и Р.фон Мизеса.
Ильюшин А.А., Ленский В.С. Сопротивление материалов, М., Физматгиз, 1959;
Гордон Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол? М., Изд-во «Мир», 1971;
Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползучести. М., Изд-во «Высшая школа», 1981
Что такое эластичность металла
Видео: Пластичная или жёсткая база | Какую выбрать и в чём разница ?
Содержание
Главное отличие - эластичность от пластичности
Эластичность - это способность объекта или материала восстанавливать свою нормальную форму после растяжения или сжатия. Следовательно, эластичность является физическим свойством. Материалы, демонстрирующие высокую степень упругости, называются эластичными материалами. Пластичность также является физическим свойством материи. Это качество легкости формовки или формовки. Материалы, демонстрирующие пластичность, называются пластиками. Основное различие между эластичностью и пластичностью заключается в том, что эластичность вызывает обратимые деформации материи, тогда как пластичность вызывает необратимые деформации материи. В химии полимеров эластомеры демонстрируют эластичность, а термопласты и термореактивные полимеры - пластичность. Металлы также проявляют эластичность в некоторой степени, изменяя размеры и изменяя форму металлической решетки.
Ключевые области покрыты
1. Что такое эластичность
- определение, свойства, эластичные материалы
2. Что такое пластичность
- Определение, Свойства, Пластмассы
3. В чем разница между эластичностью и пластичностью
- Сравнение основных различий
Ключевые слова: эластичность, предел упругости, модуль упругости, эластомеры, пластичность, пластик, полимеры, термопласты, термореактивные материалы.
Что такое эластичность
Эластичность - это способность объекта или материала восстанавливать свою нормальную форму после растяжения или сжатия: растяжение. Материалы, которые показывают высокую степень упругости, известны как эластики. Например, эластомеры представляют собой полимерные материалы, которые демонстрируют высокую степень упругости.
Рисунок 1: Эластичные материалы
Эластичность материала описывается двумя параметрами:
Модуль упругости
Модуль упругости - это отношение силы, действующей на вещество или тело, к результирующей деформации. Материалы с низкой степенью упругости (трудно деформируемые) имеют высокий модуль упругости. Материалы, которые имеют низкую степень упругости, имеют низкий модуль упругости.
Эластичный предел
Предел упругости - это максимальная степень, в которой твердое тело может быть растянуто без постоянного изменения размера или формы. На пределе упругости материалы больше не растягиваются. Вместо этого он постоянно деформируется в другую форму.
Эластомеры
Эластомеры представляют собой резиноподобные материалы и обычно представляют собой аморфные полимеры (упорядоченная структура отсутствует). Эластичные свойства эластомеров возникают из-за достаточно слабых ван-дер-ваальсовых сил между полимерными цепями или достаточно нерегулярной структуры. Если силы между полимерными цепями слабы, это дает гибкость полимеру. Аналогично, если полимер имеет неорганизованную структуру, он позволяет полимеру быть более гибким. Но для того, чтобы полимер был гибким, он должен иметь некоторую степень сшивки.
Наиболее распространенным примером эластомеров является резина. Натуральный каучук состоит в основном из полиизопренового полимера. Следовательно, это соединение является причиной эластичности резины. Натуральный каучук получается из латекса каучукового дерева. Но резина может быть синтезирована для получения синтетического каучука.
металлы
Металлы также показывают некоторую степень упругости. Эластичность металлов обусловлена изменением размеров и изменением формы кристаллических ячеек металлической решетки под действием приложенной силы.
Что такое пластичность
Пластичность - это качество легкости формовки или формовки. Это означает, что это противоположность упругости. Материалы, которые показывают пластичность, являются пластмассами. Деформация пластических материалов необратима. Следовательно, когда пластический материал деформируется, он остается деформированным, не возвращаясь в исходное состояние. Пластмассы не растягиваются и являются хрупкими.
Рисунок 2: Пластмасса
Для напряжений, превышающих предел упругости, материал демонстрирует пластическое поведение. При пределе упругости материалы деформируются необратимо, и исходное состояние не может быть получено обратно. Это пластическое поведение. Материалы, которые демонстрируют определенную пластическую деформацию перед разрушением, называются пластичными материалами. Пример: медный металл. Но материалы, которые не проявляют деформации до разрушения, называются хрупкими. Пример: стекло.
В науке о полимерах термореактивные пластмассы и термопласты представляют собой пластичные полимерные соединения. Термопластичные полимеры представляют собой соединения, которые могут быть переработаны при нагревании и формовании. Если термопластичным полимерам обеспечивается достаточная температура, материал можно расплавить, поместить в форму и охладить, чтобы получить новое изделие. Термореактивные полимеры - это материалы, которые не могут быть легко переработаны как термопластичные полимеры. Эти соединения не могут быть переработаны, восстановлены или преобразованы при нагревании.
Разница между эластичностью и пластичностью
Определение
Эластичность: Эластичность - это способность объекта или материала восстанавливать свою нормальную форму после растяжения или сжатия.
Пластичность: Пластичность - это качество легкости формовки или формовки.
деформация
Эластичность: Деформация упругих материалов обратима.
Пластичность: Деформация пластических материалов необратима.
Эластичные свойства
Эластичность: Материалы, демонстрирующие упругость, обладают упругими свойствами.
Пластичность: Материалы, проявляющие пластичность, не обладают упругими свойствами.
растягивание
Эластичность: Материалы, демонстрирующие упругость, не растягиваются быстро при растяжении.
Пластичность: Материалы, демонстрирующие пластичность, быстро растягиваются при растяжении.
стресс
Эластичность: Материалы, которые могут обратимо деформироваться в значительной степени, демонстрируют эластичность.
Пластичность: Материалы, которые являются пластичными или хрупкими, когда применяется сравнительно небольшое напряжение, проявляют пластичность.
Заключение
Эластичность и пластичность - это физические свойства материи. Эластичность - это способность материала восстанавливать свое нормальное состояние после снятия приложенного напряжения. Пластичность является противоположностью эластичности, в которой нормальное состояние не может быть восстановлено после снятия приложенного напряжения. Основное различие между эластичностью и пластичностью заключается в том, что эластичность вызывает обратимые деформации вещества, тогда как пластичность вызывает необратимые деформации вещества.
Ссылка:
1. «12.4. Эластичность и пластичность». Physics LibreTexts, Libretexts, 27 октября 2017 г.,
Статья, которая поможет вам понять механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость .
В строительной инженерии, когда мы выбираем правильный материал для проекта или продукта, очень важно выбрать именно этот материал, а не этот материал, основываясь на механических свойствах материала в качестве основы, эта статья поможет вам понять основные механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость…
★ Базовый Cоднажды
Изучение знаний начинается с концепций, которые представляют собой наименьшие единицы знания. Понимание чего-либо, предмета, требует понимания многих основных понятий. Следовательно, чтобы узнать о механических свойствах материалов, нам необходимо сначала понять соответствующую основную концепцию и то, что она выражает. С этой отправной точкой дальнейшее будет намного проще.
| Нет. | Свойства | Определение |
| 1 | Силы | Способность материала противостоять повреждениям под действием внешней силы. |
| 2 | Твердость | Способность материала противостоять локальной пластической деформации. Способность материала противостоять царапинам, порезам, истиранию, вдавливанию или проникновению. |
| 3 | неподвижность | Жесткость относится к способности материала или компонента противостоять деформации под действием напряжения, что отражает сложность упругой деформации, а также силу, необходимую для смещения единицы. |
| 4 | Трансформируемость | Гибкость, также известная как коэффициент гибкости, обозначается как λ, что относится к размеру деформации вдоль вертикальной оси компонента при осевом напряжении. Это величина, обратная жесткости. |
| 5 | Усталость | Усталостное повреждение относится к явлению разрушения материала под действием напряжения, которое намного ниже предела прочности или даже предела текучести материала. |
| 6 | Прочность | Вязкость, указывающая на способность материала поглощать энергию во время пластической деформации и разрушения. |
| 7 | Хрупкость | Хрупкость относится к свойству, при котором материал разрушается под действием внешней силы (например, при растяжении и т. Д.) С небольшой деформацией. |
| 8 | эластичность | Под эластичностью понимается свойство, при котором объект может восстанавливать свой первоначальный размер и форму после деформации, что выражается модулем упругости E. |
| 9 | пластичность | Пластичность - это способность объекта деформироваться. Когда внешняя сила мала, объект подвергается упругой деформации, когда внешняя сила превышает определенное значение, объект производит безвозвратную деформацию, которая называется пластической деформацией. |
| 10 | тягучесть | Пластичность относится к способности материала или компонента продолжать нести после достижения состояния повреждения, пока не достигнет своей предельной грузоподъемности. Это способность сохранять деформацию при определенной грузоподъемности. |
★ Основные характеристики
Чтобы лучше понять эти механические свойства, я выбрал 10 обычных сцен из повседневной работы или жизни в качестве справочных, чтобы дополнительно описать их основные характеристики, передать их своим друзьям, чтобы они учились друг у друга.
Прочность: материал должен выдерживать силы, приложенные в сценарии применения, без изгиба, разрушения, разрушения или деформации.
Твердость: более твердые материалы, как правило, более устойчивы к царапинам, долговечны и устойчивы к разрывам и вмятинам.
Жесткость: материал с хорошей жесткостью менее подвержен деформации.
Гибкость: большая степень гибкости приводит к большей деформации и ухудшению устойчивости компонента.
Усталость: материал с высокой утомляемостью имеет хорошее качество и служит дольше.
Прочность: сопротивление материала растяжению и ударам, чем выше ударная вязкость, тем меньше вероятность хрупкого разрушения.
Хрупкость: в отличие от прочности, чем выше хрупкость, материал будет поврежден при очень небольшой деформации.
Эластичность: способность материала поглощать силу, изгибаться в разных направлениях и возвращаться в исходное состояние.
Пластичность: по сравнению с эластичностью, чем лучше пластичность, деформация материала сохранит форму после деформации.
Пластичность: способность подвергаться напряжению и деформации в направлении длины. Для сейсмических конструкций следует использовать материалы с хорошей пластичностью.
★ Связи и различия
После понимания основных концепций и характеристик еще более важно понять связи и различия между ними, чтобы получить глубокое понимание свойств материалов или компонентов и лучше применять их в практической производственной жизни.
Во-первых, особенности разных материалов разные. В целом, в материаловедении твердость керамики высока, прочность металла высока, пластичность полимера хорошая и так далее, потому что они имеют различную структуру материала (от микроскопической до мезоскопической) и разные химические связи, и в этой статье есть о чем поговорить. что. Вы можете видеть, что сказано в Основы материаловедения, о котором очень подробно написано.
1 Взаимосвязь между прочностью и пластичностью
Прочность относится к максимальной силе, которую может выдержать материал. Пластичность - это процент материала, который можно максимально деформировать. Например, если стальной стержень может выдерживать максимальную силу 100 МПа, то есть его прочность составляет 100 МПа, а если под действием силы 100 МПа он деформируется на 20% и ломается, то его пластичность составляет 20%.
В промышленности типичная ситуация, когда требуется высокая прочность и высокая пластичность, возникает в конструктивных элементах автомобиля. С одной стороны, мы хотим, чтобы он мог выдерживать большее количество сил, а с другой стороны, мы хотим, чтобы структурные компоненты могли в значительной степени деформироваться в случае столкновения, чтобы они могли поглощать энергию и защитить пассажиров. Например, мы хотим, чтобы структурный компонент мог выдерживать давление 2,000 МПа и в то же время деформироваться до 60% без разрушения. (Поглощенная энергия = сила, действующая на элемент конструкции x степень деформации элемента конструкции). Фактически, это прочность. Вязкость - это количество энергии, поглощаемой материалом во время деформации, и обычно она представлена интегралом под кривой на графике. Тест на растяжку диаграмма, т.е. площадь, как показано ниже.
Вообще говоря, прочность и пластичность материала нельзя встретить одновременно, они как две стороны одной медали: увеличение прочности обычно ведет к снижению пластичности. Исследования показали, что пластическая деформация металлических материалов обычно достигается за счет дислокационного скольжения. Во время наклепа металл пластически деформируется, зерна проскальзывают, а дислокации запутываются, в результате чего зерна растягиваются, ломаются и фибриллируются, предотвращая дальнейшую деформацию и последующее разрушение и разрушение.
2 Эластичность и пластичность относительны
Упругость проста, после снятия внешних сил деформация полностью восстанавливается; пластичность означает, что материал имеет пластическую деформацию, после снятия внешних сил деформация не может быть полностью восстановлена, есть остаточная пластическая деформация. Например, показатель удлинения используется для оценки пластичности стали. После снятия стального образца упругая деформация восстанавливается, а остаточная пластическая деформация восстанавливается, поэтому удлинение можно использовать для оценки способности стали к пластической деформации.
3 Жесткость, пластичность и пластичность
Во-первых, все три понятия измеряют степень деформации. Жесткость - это величина нагрузки / смещения в упругой фазе, которая является EI, мерой мягкости и жесткости. Пластичность и пластичность - это деформации в неупругой фазе, коэффициент пластичности можно рассчитать количественно, а пластичность - это качественное понятие.
4 Прочность = прочность + пластичность
Под ударной вязкостью понимается энергия, поглощаемая материалом от силы до разрушения. Чем больше энергии потребляется для разрушения материала, тем выше ударная вязкость. Потребление энергии означает, что работа должна выполняться с материалом вне системы, что затем указывает на наличие силы и смещения (деформации). Способность выдерживать напряжение характеризуется прочностью, а способность к деформации - пластичностью. Таким образом, пластичный материал обладает хорошей пластичностью.
Читайте также: