Информации о структурном состоянии, прочности и пластичности металлов

ВВЕДЕНИЕ

Получение материалов с заданным уровнем физико-механических свойств всегда было важнейшей задачей материаловедения, но в ны­нешнее время она приобретает особую актуальность. Это связано со многими аспектами современной жизни, в первую очередь с развитием энергетики, космической и авиационной техники, кибернетики, микро­электроники и т.д. Материаловедение и металлургические науки тради­ционно оставались экспериментальными и, несмотря на известные до­стижения фундаментальных наук, создание любого нового материала требовало колоссального количества опытов, затрат сил, материалов, энергии и в конечном итоге денег.

Развитие вычислительной техники и компьютерная революция по­следнего десятилетия дали возможность резко сократить количество натурного эксперимента и заменить его компьютерным. Во многих об­ластях научной и практической деятельности компьютерный экспери­мент оказался чрезвычайно плодотворным и эффективным способом достижения положительного результата. Однако для качественного ис­пользования современных вычислительных средств необходимо иметь хорошие математические модели процессов, в основе которых лежат достоверные фундаментальные знания.

К сожалению, в экспериментальных науках, каковой является мате­риаловедение, часто не удается добиться существенного положительно­го результата при помощи компьютерного эксперимента именно из-за отсутствия хороших фундаментальных моделей. Как, например, промо­делировать на компьютере поведение металла во время горячей пласти­ческой деформации, если предел текучести, его зависимость от темпе­ратуры, величины деформации, ее скорости и структуры являются экс­периментально определяемыми свойствами металла, если до сих пор большинству исследователей непонятно, чем определяется пластич­ность металла, почему металл теряет устойчивость при растяжении и в чем состоит отличие причин разрушения при простых и сложных видах нагружения?

Курс «Пластическая обработка металлов», который изучают студенты V курса факультета технологии и исследования материалов, построен на представлениях о ма­териале, как о вероятностной самоорганизующейся системе и использует достижения синергетики. Этот курс во многом дает ответ на поставлен­ные выше вопросы, рассматривает теорию материалов, пригодную для использования в компьютерном эксперименте.

Лабораторный практикум по курсу «Пластическая обработка металлов» должен убе­дить студентов в существовании теории, которая способна описать всё разнообразие поведения материалов в процессах их обработки, особен­ности формирования их свойств, а также практически подтвердить основные положения этой теории.

Работа 1

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ − ИСТОЧНИК

ИНФОРМАЦИИ О СТРУКТУРНОМ СОСТОЯНИИ, ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ

Поведение металлов во время пластической деформации опреде­ляется их прочностью и пластичностью. Под прочностью понимают обычно способность материала сопротивляться внешним силовым воз­действиям, под пластичностью - способность пластически (необратимо) деформироваться без видимых признаков разрушения.

В качестве характеристик прочности и пластичности металлов ис­пользуют комплекс физико-механических свойств. Для их определения применяют различные виды механических испытаний, наиболее распро­страненным из которых является испытание на одноосное растяжение. Его выполняют на круглых или плоских в сечении образцах со стандар­тизированными диаметром (либо шириной и толщиной) и длиной рабо­чей части, согласно общероссийскому стандарту ГОСТ 1497-84.

Испытания проводят на разрывных машинах при комнатных, пони­женных и повышенных температурах с различными скоростями растяже­ния. В результате опытов получают зависимость растягивающей силы от перемещения захватов машины или от удлинения образца Р (D l).Для определения характеристик металла, не зависящих существенно от гео­метрических размеров образца, используют диаграмму условных напря­жений σ_усл(ε_усл) или диаграмму истинных напряжений σ(ε).

Для построения диаграммы σ_усл(ε_усл) напряжения, действующие в металле во время растяжения, рассчитывают по соотношению

,                                            (1)

где Р (D l) − текущее значение нагрузки, зависящее от удлинения образца; F ₀ − начальная площадь попереч­ного сечения образца. Поскольку во время деформации площадь поперечного сечения F непрерывно изменяется, то определение напряжений по соотношению (1) носит весьма приближенный, условный характер. Эта условность особенно сильно сказывается при больших деформаци­ях и несущественна в начале диаграммы растяжения.

Относительные пластические деформации при построении диа­граммы условных напряжений σ_усл(ε_усл) рассчитывают при растяжении по соотношению

,                                                   (2)

что также дает существенные отклонения от истинных деформаций, по­скольку длина рабочей части образца l ₀ постоянно изменяется. На рис. 1 показан вид цилиндрических и плоских образцов для ис­пытаний на растяжение, а на рис. 2 − вид диаграмм Р (D l),σ_усл(ε_усл). В табл. 1 приведены стандартизированные размеры образцов.

Рис. 1. Цилиндрические и плоские образцы для растяжения

 

Как видно из рис. 2 зависимости Р (D l)и σ_усл(ε_усл)   подобны, поскольку как параметр, так и сама вторая функция получены делением Р и D l на константы F ₀и l ₀. На этих кривых можно выделить характерные точки Р _пц (σ_пц), Р _упр (σ_упр), Р _тв (σ_тв), Р _тн (σ_тн), Р _0,2 (σ_0,2), Р _в (σ_в).

I а) б)	II
в)
Рис. 2. Диаграммы растяжения с площадкой текучести (I) и без площадки  текучести (II): а - индикаторная диаграмма P (D l); б - диаграмма условных напряжений;        в - диаграмма истинных напряжений

Диаграмма истинных напряжений σ(ε)отличается от диаграммы условных напряжений. Это вызвано тем, что истинные напряжения и деформации металла при растяжении определяются по следующим формулам:

,                                                     (3)
,                                                       (4)

где Р и l − текущие площадь и длина рабочей части образца. Для их определения используют выражения, полученные из условия посто­янства объема деформируемого металла:

− на всем протяжении испытаний

,                                               (5)

,                                             (6)

− до образования шейки на образце

,                                            (7)

,                                         (8)

Y−относительное сужение в шейке образца.

Таблица 1