Деформация металла при сжатии

Обновлено: 27.04.2024

Деформация металла происходит под воздействием внешних факторов природного или антропогенного характера. Этот процесс используется в промышленности для придания заготовке необходимых параметров.

Существует несколько видов деформации, которые влияют на конечные изменения в изделии. В нашей статье расскажем, какова природа этого процесса, разберем его виды и применимость в производственных вопросах.

Природа деформации металлов

Деформация предполагает изменение формы и габаритов изделия. Чтобы добиться нужного эффекта, металл можно растянуть, сжать, скрутить, загнуть. Для этих целей используют специальные инструменты и процессы, например, повышение температуры для деформации металла.

К деформации приводит даже небольшое силовое воздействие. Растяжение изделия вызывает увеличение расстояния между атомами, тогда как на фоне сжатия наблюдается обратный процесс.

При обработке металла важно учитывать, что пластическая деформация способна спровоцировать кардинальное изменение характеристик. Она может наблюдаться даже в тех случаях, когда изделие имеет повышенную твердость, но была превышена предельная нагрузка.

Каждый металл обладает своим показателем предела упругости, поэтому при подборе необходимого воздействия учитывают свойства конкретного материала. Наиболее пластичными и лучше всего поддающимися деформации считаются металлы с кубической кристаллической решеткой.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Статичная нагрузка вызывает медленные изменения металла, которые специалисты обозначают как ползучесть. Повышение температуры воздействия приводит к ускоренному протеканию подобных процессов.

Деформация, осуществляемая на фоне высокой температуры, называется горячей деформацией металла. Она применяется при производстве крупных изделий и предполагает полную рекристаллизацию.

Изменить характеристики заготовки позволяет и холодная деформация металла, которая протекает при температуре, не достигающей уровня рекристаллизации. Она способствует повышению прочности материала, однако подходит исключительно для изделий малого сечения, таких как проволока.

Деформация возможна и без специального воздействия – именно в таком виде она распространена в природе. То есть внешний вид, прочность и другие характеристики металла меняются под действием естественных факторов, к которым человек не имеет никакого отношения.

Упругая деформация металлов

При данном виде деформации металла происходит изменение формы, а после прекращения воздействия изделие принимает прежний внешний вид. Такой эффект достигается при приложении силы, не превышающей предел упругости или модуль Юнга. Благодаря данному физическому свойству после снятия нагрузки заготовки из эластичных материалов возвращаются к первоначальным размерам.

Иными словами, упругая деформация металлов является обратимой и непостоянной. Чаще всего она сопровождается малыми изменениями формы, а упругое поведение обычно является линейным.

При упругой деформации происходит временное растяжение, искривление связей между атомами. Так, изгиб листа из стали приводит к тому, что все дислокации и связи в металле изгибаются или растягиваются всего на несколько процентов. При этом манипуляция не вызывает относительного перемещения атомов. Причиной подобной деформации может быть приложение внешних сил сдвига, провоцирующих соответствующее напряжение растяжения или сжатия.

Благодаря упругой деформации все связи в материале восстанавливаются после напряжения. Постепенно данные свойства металла ослабевают, иногда он даже утрачивает пластичность, становится хрупким.

Например, подобные перемены наблюдаются у олова: его пластичность снижается при резких скачках температуры, происходят аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот – в Средневековье такие процессы носили название оловянной чумы. Нередко снижение эластичности объясняется воздействием химических веществ.

Повысить эластичность или пружинистость стали удается за счет увеличения доли углерода. Поэтому рессоры для автомобилей изготавливаются из марок сталей, в которых содержится минимум 0,62–0,7 % данного компонента – этот показатель установлен ГОСТ 14959-2016. Кроме того, добиться необходимой упругости металла позволяет увеличенное содержание в нем марганца и кремния.

Пластическая деформация металла

Данный тип деформации металла объясняется процессами кристаллографической природы, а именно скольжением, двойникованием, межзеренным перемещением. Остановимся на них более подробно:

Процесс скольжения

Под действием касательных напряжений одна часть кристалла смещается относительно другой. Пока изменения наблюдаются в пределах одного кристалла, их обозначают как линейную дислокацию. Когда на поверхности кристалла образуется ступенька размером в один период решетки, значит, изменения начали распространяться по материалу.

В результате повышается напряжение, перемещаются новые атомные плоскости, появляются дополнительные ступеньки единичных сдвигов. Продвижение дислокации не сопровождается разрывом всех межатомных связей в зоне плоскости скольжения – они нарушаются лишь по краю дислокации.

Согласно современной теории:

скольжение распространяется последовательно в плоскости сдвига;
данный процесс деформации металла возникает в месте нарушения решетки – эта область появляется в результате воздействия нагрузки на кристалл.

К свойствам металла относится теоретическая прочность, которая позволяет описать сопротивление пластической деформации. Она зависит от сил связей между атомами в кристаллических решетках, при этом значительно превосходит реальный уровень прочности. Например, железу свойственны:

30 кг/мм – реальная прочность;
1 340 кг/мм – теоретическая прочность.

Столь значительная разница в показателях объясняется тем, что при движении дислокации нарушаются связи только у края, а для этого необходимы меньшие усилия.

Процесс двойникования

В кристалле появляются зоны с закономерно измененной ориентацией структуры. Двойникование приводит к незначительной деформации металла.

Причиной формирования такого образования являются:

зеркальная переориентация структуры материнского кристалла в определенной плоскости;
поворот матрицы на некоторый угол вокруг кристаллографической оси.

Процессы могут происходить в металлах, которые обладают кристаллическими решетками двух типов:

гексагональной – ею характеризуется магний, цинк, титан, кадмий;
объемно-центрированной – присутствует у железа, вольфрама, ванадия, молибдена.

Склонность к двойникованию возрастает с ростом скорости деформации металла и снижением степени нагрева.

У алюминия, меди, как у металлов с кубической гранецентрированной решеткой, такие перемены наблюдаются в результате отжига заготовки, прошедшей стадию пластического деформирования.

Процесс межзеренного перемещения

Подобное изменение структуры проявляется в результате растягивания и запускается в зерне, где направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. В результате зерно растягивается. Находящиеся в непосредственной близости зерна разворачиваются и деформируются, как только направление легкого скольжения в них совмещается с направлением силы.

В итоге после такой деформации структура металла становится волокнистой, а механические характеристики материала определяются вектором воздействия:

пластичность выше в направлении, в котором прикладывалось растягивающее усилие;
прочность заметнее проявляется поперек приложения усилия, а в продольном направлении показатели ниже.

Данную разницу в свойствах, проявившуюся в результате процесса деформации металла, обозначают как анизотропия.

Разрушение металла при деформации

Высокие напряжения являются причиной более активной деформации и даже разрушения металлов. Последний процесс протекает из-за растрескивания материала: зародившаяся трещина распространяется через сечения, вызывая окончательное разрушение.

Причина образования трещины – в сосредоточении дислокаций, находящихся в движении, перед препятствием. Это приводит к тому, что напряжение возрастает до уровня, при котором металл трескается. Когда трещина достигает критического размера, она развивается произвольно.

При хрупком разрушении образуются острые, разветвленные трещины, которые стремительно разрастаются. Процесс протекает моментально, отличается низкой энергоемкостью, а работа распространения трещины оказывается практически на нулевом уровне.

Еще одна причина появления трещин связана с транскристаллитным и хрупким интеркристаллитным разрушением. Тогда трещины распространяются по телу зерна или по границам зерен соответственно.

Хрупкое разрушение приводит к формированию блестящего кристаллического излома, обладающего ручьистым строением. Он имеет плоскость, перпендикулярную нормальным напряжениям. Трещина распространяется в нескольких плоскостях, расположенных параллельно.

Причиной вязкого разрушения является срез, который происходит в результате воздействия касательных напряжений. Данному процессу всегда предшествует значительная пластическая деформация металла.

Тупая раскрывающаяся трещина имеет перед собой обширную пластическую зону и распространяется с малой скоростью. Также ее характеризуют высокие показатели энергоемкости, которые объясняются затратами энергии на формирование поверхностей раздела. Излом получается неровный, матовый, а его плоскость находится под определенным углом.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Деформация металла при сварке

Деформация металла при сварке – это явление, которое приводит к нарушению геометрии изделий и, следовательно, к браку продукции. Подобное может наблюдаться даже в работе опытных сварщиков. Соблюдение ряда правил позволяет снизить вероятность появления деформации и получить качественное и надежное соединение.

Существует множество причин возникновения деформации металла при сварке. О том, с чем они связаны, какие меры принимают для профилактики этого явления и что делают для исправления, читайте в нашем материале.

Причины деформации металла при сварке

Если на металлический предмет оказывается механическое воздействие, то в нем возникают напряжение и искажение. Первое характеризуется силой давления, оказываемой на единицу площади. Второе – нарушением габаритов и формы изделия из-за силового воздействия.

Напряжения появляются в деталях под влиянием практически любого усилия. Это может быть растягивание, изгиб, сжимание или резка. В ходе сварки следует внимательно следить за показателями как деформации, так и напряжения. Если превысить допустимые значения, то конструкция (частично или полностью) может разрушиться.

Рекомендуем статьи по металлообработке

Сварочные деформации возникают под влиянием различного рода напряжений, появляющихся внутри изделия. Основные причины их появления специалисты объединяют в две большие группы: основные, которые считаются неизбежными и постоянно появляются в ходе сварки, а также сопутствующие, устранение которых вполне возможно.

К основным причинам возникновения деформации и напряжения в ходе сварочных работ относят следующие:

Структурные видоизменения, которые, влияя на металл, вызывают напряжения (растягивающие и сжимающие). Происходит это в ходе охлаждения деталей из легированных или высокоуглеродистых стальных сплавов. При этом размеры изделия, а также зернистая структура материала нарушаются. В итоге изначальный объем изменяется, что приводит к увеличению напряжения внутри детали.
Неравномерный прогрев. Первичному нагреву в ходе сварочных работ подлежит только рабочая зона изделия. По мере увеличения температуры материал расширяется, воздействуя на мало прогретые слои металла. При прерывистом прогреве концентрация напряжений сварного шва достигает высоких значений. Ее показатель зависит от рабочей температуры, теплопроводности материала и уровня линейного расширения.
Литейная усадка. Она происходит в ходе кристаллизации материала, характеризуется уменьшением объема металла, возникает из-за сварочного напряжения (продольного и поперечного), которое появляется в процессе усадки расплава.

Сварочное напряжение могут вызвать не только механические воздействия. Сплавам различных металлов вообще свойственны свои деформации и напряжения. Они делятся на временные и на остаточные. Пластичная деформация металла при сварке вызывает остаточные, не исчезающие и после остывания материала. Временные же возникают при сварке прочно закрепленной детали.

К побочным или сопутствующим деформациям при проведении сварочных работ можно отнести:

любые отклонения от нормативов в технологическом процессе – примером может быть плохая подготовка детали к сварке, неправильный выбор электрода, нарушение режима сварочного процесса и пр.;
несоответствия и ошибки, допущенные в конструировании изделия, – это могут быть неверно выбранный тип шва, часто расположенные соединения, малый зазор между сварными швами и пр.;
низкий профессионализм и небольшой опыт мастера.

Концентрацию напряжений в сварном шве может вызвать практически любая ошибка. Из-за них возникают технологические дефекты соединения: непровары, трещины, пузыри и прочий брак.

Виды деформаций металла после сварки

Существует несколько видов напряжений. Они отличаются временным интервалом (периодом действия), характером появления и прочими факторами.

Ниже представлена таблица возможных напряжений (какие встречаются и из-за чего появляются в сварном шве).

По причинам возникновения

Неравномерность прогрева, возникающая из-за перепада температуры при сварке

В случае нагрева металла выше максимально установленной температуры происходят изменения в структуре материала

По времени существования

Возникает в ходе фазовых видоизменений, но в процессе остывания уходит

Остается в деталях и после устранения причин возникновения

По задействованной площади

Имеющееся во всей конструкции

Проявляющееся исключительно в зернах структуры металла

Присутствующее в кристаллической решетке материала

По направленности воздействия

Появляется по линии шва

Размещается поперек оси соединения

По состоянию напряжения

Происходит только в одном направлении

Распространяется на два различных направления

Воздействие происходит по трем осям

В ходе сварочного процесса происходят следующие виды деформации:

Местные и общие. При местных деформациях изменениям подвержены только части конструкции. Общие же деформируют изделие полностью и сразу, меняя его размеры и искривляя геометрическую ось.
Временные и конечные. Остаточные (конечные) деформации остаются в изделии даже после его охлаждения, а временные появляются в отдельные моменты времени.
Упругие и пластичные. При восстановлении формы и габаритов изделия по окончании сварки деформация считается упругой. При наличии постоянных дефектов – пластичной.

Материал может быть деформирован вне плоскости сварного изделия или внутри него.

Разнонаправленность сил, действующих относительно сечения материала, приводит к возникновению различных напряжений: сжатия либо изгиба, растяжения, кручения, среза.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций металла при сварке

Швы обязательно проходят тестирование на надежность и прочность соединений. В ходе проверки проверяется также наличие дефектов. Это позволяет быстро обнаружить и устранить возникший в процессе сварки брак.

Существует несколько типов контроля, позволяющих найти изъяны:

разрушающий – процесс, который часто используется на промышленных предприятиях, дает возможность провести проверку физических свойств шва;
неразрушающий – включает внешний осмотр шва, ультразвуковую или магнитную дефектоскопию, капиллярный метод, проверку проницаемости и прочие методы.

Важным в изготовлении сварных конструкций является определение вероятных напряжений и деформаций в ходе работ. Причина заключается в том, что они изменяют форму и размер изделия, снижают его прочность, что приводит к изменениям в эксплуатационных качествах конструкции далеко не в лучшую сторону.

Необходимо проводить тщательный расчет деформаций и напряжений при различных процессах сварки, правильно запланировать последовательность операций для того, чтобы в результате на конструкцию воздействовало минимум напряжений, а количество дефектов стремилось к нулю.

Способы устранения деформации металла при сварке

Убрать деформацию материала, возникшую в ходе сварки, можно с помощью правки. Она бывает холодной механической, термомеханической и термической, включающей как местный, так и общий нагрев. Перед проведением последнего изделие жестко фиксируют в устройстве, оказывающем давление на изменяемые части конструкции. Затем оно размещается в разогревающей печи.

Суть термического метода заключается в сжимании металла при его охлаждении. Происходит процесс разогрева растянутого участка горелкой или дугой. При этом окружающий место разогрева материал должен оставаться холодным, что не дает значительно расшириться горячему участку. Далее при остывании изделия происходит постепенное выпрямление конструкции. Больше всего данный метод подходит для устранения деформаций балок, полос листового материала и пр.

Принцип холодной правки заключается в постоянном воздействии на изделие нагрузок. Для этого используют различные прессы и валки, существующие для прокатки по ним длинных конструкций. Для исправления деформаций растянутых конструкций применяют термическую правку. Сначала происходит сбор лишнего металла, а затем – разогрев проблемного места.

Сложно сказать, какой из методов является предпочтительным. Для каждого вида, места (снаружи или изнутри), особенностей деформации и напряжения, а также габаритов и формы изделия существуют свои способы их устранения. Важным являются трудозатраты и эффективность метода.

Способы избежать деформации металла при сварке

Устранение проблем значительно сложнее их предупреждения. Эта аксиома в равной степени относится и к сварке. Брак всегда приводит к дополнительным финансовым вложениям. Для его предотвращения необходимо сосредоточиться на мерах, помогающих бороться с деформациями и напряжениями.

Отвечая на вопрос о том, как избежать деформации при сварке листового металла или свести ее к минимуму, следует запомнить связь между причинами появления и мерами предупреждения. Следовательно, перед началом работ необходимо все тщательно рассчитать и подготовиться. Только после окончания данного этапа можно будет проводить сварку металлических конструкций.

Сила, приложенная к конструкции, прямо пропорциональна степени ее деформации. Значит, чем большая сила воздействует на изделие, тем значительнее его деформация.

Данные виды разогрева способствуют улучшению качественных характеристик как самого сварного соединения, так и участков, расположенных в непосредственной близости от него. Кроме того, уменьшаются пластические деформации и остаточное напряжение. Этот метод чаще всего используют для сплавов, которые имеют склонность к закалке и появлению кристаллизационных трещин.

При протяженности более 1 000 мм шов разбивается на части длиной от 100 до 150 мм. Новое соединение создается в противоположную от основной сварки сторону. При этом металл разогревается более равномерно, что снижает деформацию. Данный способ не является методом последовательного наложения.

Проковке подлежит и нагретый, и холодный материал. Удар как бы разжимает металл в стороны. Тем самым снижается напряжение растягивания. Данный метод не используется на конструкциях, сделанных из металла, склонного к возникновению в нем закалочных структур.

Суть метода заключается в том, чтобы подобрать порядок, в котором нужно будет делать швы. Новый шов должен обязательно создать деформацию, которая будет противодействовать предыдущему. Этот способ часто применяется при сварке двусторонних соединений.

Сварка предваряется прочным и жестким креплением изделия в кондукторах. После завершения процесса конструкция полностью охлаждается, после чего вынимается из крепежа. Существенным недостатком метода является вероятность возникновения внутреннего напряжения изделия.

Сварка без деформации металла может быть проведена с помощью термической обработки. При этом существенно улучшаются характеристики соединения и окружающего его металла, снижается напряжение внутри изделия и выравнивается структура шва. Отпуск, отжиг (состоящий из низкотемпературного или полного) и нормализация – это операции, составляющие термическую обработку металла.

Нормализация считается оптимальным способом обработки швов изделий, выполненных из низкоуглеродистых сталей.

Деформация растяжения-сжатия

В машиностроении, строительстве и архитектуре при расчетах прочности и жесткости материалов используется математический аппарат технической механики. Деформация растяжения – одно из ключевых понятий, характеризующее механические процессы, происходящие в материалах при приложении к ним внешних воздействий. Для наглядности изучаются изменения, происходящие в брусе с постоянным сечением, характерные для упругой деформации при приложении внешних усилий.

Закон Гука (английский физик Р. Гук, 1653-1703) для упругой деформации растяжения/сжатия гласит, что нормальное напряжение находится в линейной зависимости (прямо пропорционально) к относительному удлинению/укорочению. Математический аппарат технической механики описывает эту формулу следующим образом:

Коэффициент пропорциональности E (модуль упругости, модуль Юнга) – величина определяющая жесткость материала, единица измерения – паскаль (ПА).

Его значения были установлены эмпирическим путем для большинства конструкционных материалов, необходимую информацию можно почерпнуть в справочниках по машиностроению. Относительная деформация является отношением изменения длины бруса к его изначальным размерам, это безразмерная величина, которая иногда отражается в процентном соотношении.

При растяжении или сжатии у бруса меняется не только длина, но происходят поперечные деформации: при сжатии образуется утолщение, при растяжении толщина сечения становится меньше. Величины этих изменений находятся в линейной зависимости друг от друга, причем установлено, что коэффициент пропорциональности Пуассона (фр. ученый С. Пуассон, 1781-1840) остается всегда неизменным для исследуемого материала.

Внутренние усилия при растяжении и сжатии

При приложении к брусу с постоянным сечением внешних воздействий, действие которых в любом поперечном разрезе направлено параллельно его центральной оси и перпендикулярно сечению, с ним происходит следующий вид деформации: растяжение или сжатие. На основе гипотезы о принципе независимости внешнего воздействия для каждого из поперечных разрезов можно рассчитать внутреннее усилие как векторную сумму всех приложенных внешних воздействий. Растягивающие нагрузки в сопромате принято считать положительными, а сжимающие отрицательными.

Рассмотрев произвольный разрез бруса или стержня, можно сказать что внутренние напряжения равны векторной сумме всех внешних сил, сгруппированных по одной из его сторон. Это верно только с учетом принципа Сен-Венана (фр. инженер А. Сен-Венан, 1797-1886) о смягчении граничных условий, т.к. распределение внутренних усилий по поверхности разреза носит сложный характер с нелинейными зависимостями, но в данном случае значением погрешности можно пренебречь как несущественным.

Применяя гипотезу Бернулли (швейцарский математик, И. Бернулли, 1667-1748) о плоских сечениях, для более наглядного представления процессов распределения сил и напряжений по центральной оси бруса можно построить эпюры. Визуальное представление более информативно и в некоторых случаях позволяет получить необходимые величины без сложных расчетов. Графическое представление отражает наиболее нагруженные участки стержня, инженер может сразу определить проблемные места и ограничиться расчетами только для критических точек.

Все вышесказанное может быть применимо при квазистатической (система может быть описана статически) нагрузке стержня с постоянным диаметром. Потенциальная энергия системы на примере растяжения стержня определяется по формуле:

Потенциальная энергия растяжения U концентрируется в образце и может быть приравнена к выполнению работы W (незначительное выделение тепловой энергии можно отнести к погрешности), которая была произведена силой F для увеличения длины стержня на значение абсолютного удлинения. Преобразуя формулу, получаем, что вычислить значение величины потенциальной энергии растяжения можно, рассчитав отношение квадрата продольной силы N помноженной на длину стержня l и удвоенного произведения модуля Юнга E материала на величину сечения A.

Как видно из формулы, энергия растяжения всегда носит положительное значение, для нее невозможно применить гипотезу о независимости действия сил, т.к. это не векторная величина. Единица измерения – джоуль (Дж). В нижней части формулы стоит произведение EA – это так называемая жесткость сечения, при неизменном модуле Юнга она растет только за счет увеличения площади. Величина отношения жесткости к длине бруса рассматривается как жесткость бруса целиком.

Напряжения при растяжении сжатии

Используя гипотезу Бернулли для продольной упругой деформации стержня, можно определить продольную силу N как равнодействующую всех рассредоточенных по сечению внутренних усилий. Гипотеза Бернулли совместно с гипотезой о ненадавливании волокон позволяет сказать, что σ в произвольной точке разреза будут постоянны, т.к. реакция продольных волокон одинакова на всем поперечном разрезе. Для определения величины нормального напряжения σ используется следующая формула:

Напряжение для упруго деформированного стержня описывается как отношение внутренней силы N к площади сечения A. Считается положительным при растяжении, при сжатии рассматривается как отрицательное.

Абсолютная деформация зависит от жесткости сечения, величины продольной силы и длины бруса. Зависимость можно описать по следующей формуле:

Таким образом, методика расчета величины абсолютного изменения длины такова: необходимо просчитать отношение значения продольной силы N умноженной на длину стержня l и жесткости сечения (произведение модуля Юнга E на площадь сечения A).

В реальных расчетах на брус действует достаточно много разнонаправленных сил, для решения таких задач требуется построение эпюр, которые могут наглядно показать какие напряжения действуют на разных участках, чем обусловлена деформация при растяжении и сжатии.

В рамках такой квазистатической (условно статической) системы, как брус или стержень с переменным сечением или отверстием, потенциальная энергия растяжения может быть рассмотрена как сумма энергий однородных участков. При проведении расчетов важно правильно разделить стержень на участки и смоделировать все участвующие в процессе силы и напряжения. Для реальных расчетов построение эпюр – сложная задача, которая требует от инженера хорошего понимания действующих на деталь нагрузок. Например, вал со шкивами разного диаметра требует сначала определения критических точек и разбивки на соответствующие участки, затем построения графиков по ним.

Деформации при растяжении сжатии

При растяжении/сжатии бруса могут возникать 2 вида деформации. Первый – упругая, второй – пластическая. Для упругой деформации характерно восстановление первоначальных параметров после прекращения воздействия. В случае пластической стадии деформации материала он утрачивает и не восстанавливает форму и размеры. Величина воздействия для перехода одного вида в другой называется пределом текучести.

Для расчета перемещения при растяжении бруса или стержня следует использовать метод разделения на участки, в рамках которых осуществляется приложение внешних воздействий. В точках воздействия силы следует вычислить величину изменения длины, используя формулу: Δl=Nl/EA. Как видно она зависит от жесткости сечения, длины бруса или стержня и величины действующей продольной силы. Итоговым перемещением для бруса целиком будет сумма всех частичных перемещений, рассчитанных для точек приложения силы.

Поперечные деформации бруса (становится более толстым при сжатии и тонким при растяжении) также характеризуются абсолютной и относительной величиной деформации. Первая – разность между размером сечения после и до приложения внешних воздействий, вторая – отношение абсолютной деформации к его исходному размеру. Коэффициент Пуассона, отражающий линейную зависимость продольной и поперечной деформаций, определяет упругие качества материалов и считается неизменным для растяжения и сжатия. Продольные наиболее наглядно отражают процессы, происходящие в брусе или стержне при внешнем воздействии. Зная величину любой из них (продольной или поперечной) и используя коэффициент Пуассона, можно рассчитать значение неизвестной.

Для определения величины деформации пружины при растяжении можно применить закон Гука для пружин:

В данном случае х – увеличение длины пружины, k – коэффициент жесткости (единица измерения Н/м), F – сила упругости, направленная в противоположную от смещения сторону. Величина абсолютной деформации будет равна отношению силы упругости к коэффициенту жесткости. Коэффициент жесткости определяет упругие свойства материала, используемого для изготовления, может быть использован для выбора материала изготовления в условиях решения конкретной задачи.

Расчеты на прочность и жесткость

Прочность характеризует способность конструкционного материала сопротивляться внешним воздействиям без разрушений и остаточных изменений. Жесткость находится в линейной зависимости от модуля Юнга и размера сечения. Чем больше площадь, модуль упругости не меняется, тем больше жесткость. В общем случае жесткость подразумевает способность деформироваться без значительных изменений. Коэффициент запаса прочности – безразмерная величина, равная отношению предельного напряжения к допустимому. Запас прочности характеризует штатный режим работы конструкции даже с учетом случайных и не предусмотренных нагрузок. Наименьшим запасом прочности обладают пластические (1.2-2.5) и хрупкие (2-5) материалы.

Применение в расчетах этих коэффициентов позволяет, например, рассчитать опасную толщину для стержня, при которой может возникнуть максимальное нормальное напряжение. Используя коэффициент прочности и возможное предельное напряжение возможно произвести расчет необходимого диаметра вала, который гарантированно обеспечит упругую деформацию и не приведет к пластической. Для инженеров-экономистов важны расчеты наименьших безопасных размеров деталей конструкции по заданным нагрузкам.

Большинство практических расчетов на прочность и жесткость производятся для получения минимальных значений геометрических размеров конструкционных элементов и деталей машин в условиях известных внешних воздействий и необходимого и достаточного запаса прочности. Может решаться обратная задача получения значений предельных нагрузок при условии сохранения геометрических размеров и для конкретного материала.

Сложные конструкции могут быть разделены на элементарные части, для которых будут производиться расчеты, затем полученные результаты интерпретируются в рамках всей системы, для этого удобно строить эпюры распределения внешних воздействий и внутренних напряжений статически определенной системы.

С помощью известной жесткости материала делают расчеты максимально возможной длины балки или стержня (вала) при условии неизменности его сечения. Для ступенчатых валов необходимо строить эпюры воздействия внешних сил и возникающих в точках их приложения внутренних напряжений в критических точках. От правильно построенной теоретической модели будет зависеть насколько эффективно и долго прослужит вал для станка, не разрушится ли он от динамических крутящих моментов. На этапе проектирования можно выявить потенциальные слабые точки и рассчитать необходимые параметры для заданного предела прочности.

С расчетами на прочность связаны такие понятия, как срез и смятие. Срез проявляется в виде разрушения детали соединения в условиях возникновения в ее поперечном сечении перпендикулярной к нему и достаточной силы.

При расчетах соединений используют пределы текучести используемых материалов и коэффициенты запаса прочности, вычисляют максимально возможные напряжения.

Исследования на прочность обычно подразумевают решение нескольких задач: в условиях проведения поверочного расчета на проверку прочности при известных усилиях и площади сечения оценивают фактический коэффициент запаса прочности; подбор оптимального диаметра при заданных нагрузках и допустимом напряжении; вычисляют грузоподъемность или несущую способность с помощью определения внутреннего усилия при известной площади сечения и напряжении.

Прочностные расчеты при разных видах воздействий в рамках условно статических систем сложны, требуют учета многих, иногда не очевидных, факторов, их практическая ценность заключается в вычислении допустимых размеров конструкционных материалов для заданных параметров запаса прочности.

Пластическая деформация материалов

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

Под термином «деформация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под влиянием напряжений — сил, которые действуют на единицу площади сечения заготовок или деталей. Деформация металла обусловлена:

внешними силами;
усадкой;
структурными превращениями;
внутренними физико-механическими процессами.

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

сжатие – нагрузка прикладывается соосно по направлению к телу;
растяжение – возникает при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся точки крепления тела);
изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
кручение – возникает при приложении к телу крутящего момента.

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.

Твердые тела подвержены двум видам деформации:

В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

· в структуре возникают остаточные изменения;

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

30 кг/мм — реальная;
1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже t_рек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;
неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

Температура, выше t_рек.
Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
Отсутствует упрочнение.
Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

при относительно небольших температурах;
при повышенном давлении;
с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

кручение (ИПДК);
разноканальное угловое прессование;
всесторонняя ковка;
мультиосевое деформирование;
знакопеременный изгиб;
аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

Сопротивление материалов. Шпаргалка для студентов

Настоящее издание поможет систематизировать полученные ранее знания, а также подготовиться к экзамену или зачету и успешно их сдать.

1. Задачи сопротивления материалов
2. Классификация сил
3. Понятие о деформациях и напряжениях
4. Вычисление напряжений по площадкам, перпендикулярным к оси стержня
5. Деформации при растяжении и сжатии. Закон Гука. Коэффициент поперечной деформации
6. Механические характеристики свойств материала
7. Статически неопределимые задачи при растяжении и сжатии
8. Напряжения, возникающие при изменении температуры
9. Напряжения по наклонным сечениям при осевом растяжении и сжатии (линейное напряженное состояние)

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Сопротивление материалов. Шпаргалка для студентов предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

5. Деформации при растяжении и сжатии. Закон Гука. Коэффициент поперечной деформации

Некоторые элементы конструкций и элементов подвергаются только продольным нагрузкам, что вызывает в них деформацию растяжения или сжатия. Длина стержня, подвергнутого растяжению, увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается. При сжатии наоборот — длина уменьшается, а площадь сечения увеличивается. При этом изменение длины называют линейной продольной деформацией, а изменение площади поперечного сечения — поперечной линейной деформацией. Для оценки интенсивности деформации применяют такие понятия, как относительная продольная ε и относительная поперечная ε' — деформации, приходящиеся на единицу длины или пощади сечения стержня.

где Δl — изменение длины стержня;

Δa — изменение площади сечения.

Продольную деформацию растяжения обычно считают положительной, деформацию сжатия — отрицательной. Продольная и поперечная деформации связаны соотношением

μ — коэффициент поперечной деформации, который имеет свое значение для разных тел (в пределах упругого деформирования). Этот коэффициент называют коэффициентом Пуассона.

В пределах упругого деформирования экспериментально была установлена прямая зависимость между нормальным напряжением σ и относительной деформацией ε.

σ = Eε

Это соотношение носит название закона Гука, а коэффициент пропорциональности E называется модулем упругости первого рода. Модуль упругости — это величина, постоянная для каждого материала. Из соотношения видно, что при постоянном напряжении деформация меньше при большем модуле упругости.

Если рассматривать участок длиной l, на котором продольная сила и площадь поперечного сечения постоянны, закон Гука можно представить в виде:

Произведение EA называется жесткостью сечения.

При растяжении или сжатии стержня его сечения перемещаются. Осевое перемещение сечений друг относительно друга равно изменению длины стержня между этими сечениями. График, на котором изображены перемещения всех сечений относительно одного, принятого за неподвижное, называется эпюром перемещений.

Читайте также: