Влияние механических и тепловых воздействий на механические свойства материалов (прочность и пластичность) презентация

пластичность).

Механические воздействия.
Принято различать
холодную обработку (пластическую деформацию при температурах, близких к комнатным)
горячую обработку (пластическую деформацию при высокой температуре)
_______________________________________________

Холодная обработка
Целью холодной обработки является упрочнение материала и придание ему необходимой формы

пленок

2. Штамповка деформирует металл в штамповочных полостях, производя детали сложной формы (коленчатый вал в автомобиле)

3. Волочение. Для полу-чения проволоки ме-таллический или поли-мерный прут протягива-ют через волочильную доску (фильеру).

4. Прессование. Материал проталкивают через матрицу для формирования брусков или труб с одинаковой площадью поперечного сечения

5. Глубокая прокатка используется для изготовления Al банок для пива или других напитков

6. Вытяжка

7. Гибка

Процент холодной обработки:

% хол.обр.

исходная площадь поперечного сечения
площадь поперечного сечения после деформации

враща-ющийся цилиндр (вал)

штамп

волочиль-ная доска

матрица

дыропробивной пресс

изделия нужной формы.

Может быть достигнуто высокое качество поверхности и точность припусков.

Холодная обработка является относительно недорогим методом производства.

Во многих случая холодная обработка не так сильно ухудшает другие полезные свойства материала (например, электропроводность и сопротивление коррозии), как другие методы (например, легирование).

В процессе холодной обработки вводятся остаточные напряжения и создается текстура, которые могут могут быть полезными.
_______________

Высокая степень холодной обработки допустима только для пластичных материалов. Хрупкие материалы (такие, как ГПУ магний) допускают только небольшую степень холодной обработки.

Первый тест

Второй тест

Если мы прикладываем напряжение , большее предела текучести , и затем снимаем его, то возникает постоянная деформация (или остаточная деформация) . Во время второго нагружения этот металл будет иметь больший предел текучести , больший предел прочности и меньшую пластичность.

Прикладывая каждый раз все большее напряжение, мы повышаем предел текучести и предел прочности и понижаем пластичность. Таким образом, достигается упрочнение металла, до тех пор, пока пределы текучести, прочности и разрушения не станут равными и пластическая область не исчезнет. Дальнейшая пластическая деформация становится невозможной.

Номер теста
4
3
2
1

На правом рисунке показано, что нагрузочные кривые при различных тестах получаются похожими , но вертикальная ось каждый раз сдвигается по отношению к исходной, как это показано на левом рисунке

деформационного упрочнения ведется в координатах истинное напряжение - истинная деформация.

На кривой истинное напряжение –истинная деформация в общем случае можно выделить линейную область и область со степенной зависимостью напряжения от деформации с показателем степени, меньшим 1.

(Ludwik's equation ):

Ясно, что этот закон можно использовать только в том случае, когда предел текучести достигается при настолько малой деформации, что неточностью в определении деформации можно пренебречь.
Если же это не так, то используют зависимости более общего вида.

Если линейная область практически отсутствует, то нагрузочная кривая хорошо описывается так называемым законом Холломона (Hollomon’s law);

- истинное напряжение,
- истинная деформация,
K – коэффициент, равный при .

Как характеристика степени деформационного упрочнения используется показатель деформационного упрочнения n

выше – для ОЦК и
достигает порядка n=0.5 для ГЦК.

Титан ГПУ n=0.05 K, МН/м²= 1200
Отожженная сталь ОЦК 0.15 640
Молибден ОЦК 0.13 725
Медь ГЦК 0.54 320
Аустенитная нержавеющая сталь ГЦК 0.52 1520

Показатель деформационного упрочнения n металлов

Металлы с низким n плохо поддаются холодной обработке.

направлений скольжения), которые обеспечивают пластическую деформацию.
Так, в ГЦК решетке наибольшее число систем скольжения, в ОЦК- меньше, и наименьшее- в ГПУ-решетке.

ГЦК

ОЦК

ГПУ

Плоскости скольжения выделены серой заливкой, направления скольжения указаны стрелками

деформационного упрочнения.
Пример: волочение

Чтобы происходила пластическая деформация, напряжение в исходной проволоке должно превышать предел текучести . Напряжение в протянутой проволоке должно быть меньше нового предела текучести , чтобы предотвратить разрывы. Эти условия выполнимы только в том случае, если проволока упрочняется в процессе волочения . В противном случае она порвалась бы во время движения через фильеру.

число дислокаций относительно невелико: их плотность составляет порядка 10 м дислокационных линий на мм³. При приложении нагрузки, большей предела текучести , дислокации начинают скользить. Различные несовершенства кристаллической решетки (препятствия) захватывают концы дислокационных линий (рис.1).

Если мы продолжаем прикладывать нагрузку, линии растут, а их концы загибаются к центру (рис.2). Дислокации двигаются таким образом, что образуется петля (рис.3). После того, как концы дислокационной петли замкнутся, образуется дислокационная петля с новой дислокацией внутри (рис.4).

Такой механизм образования дислокаций известен как источник Франка-Рида.

Электронная микрофотография генерации серий петель Франка-Рида подобна картине волн, распространяющихся от источника на поверхности воды.

Керамики обычно хрупки, и их значительная деформация и упрочнение невозможны при низких температурах. Деформации могут происходить при высоких температурах, но они вызваны проскальзыванием зерен, а не движением дислокаций.

толстый брусок или рельс, сделанный из очень мягкой отожженной меди. Затем он предлагает любому желающему из публики распрямить этот рельс. Но это оказывается невозможным!

Объяснение очень простое. Первоначально отожженная медь была очень пластичной, потому что число дислокаций на единицу объема было мало. Однако после сгибания число дислокаций резко возросло по механизму Франка-Рида. В результате выпрямить этот деформационно-упрочненный рельс уже невозможно. Даже сам атлет уже не сможет сделать это.

при деформировании, но это не деформационное упрочнение. Это явление вызывается выравниванием и возможной кристаллизацией длинных цепочек молекул.

шейка

Цепочки молекул перед деформацией

Образование шейки по мере локального выравнивания цепочек

Цепочки в целом образце выровнены, но содержат дефекты

Полное выравнивание может быть достигнуто только в процессе полимеризации

Например, прочность паутины экстремально велика

механические (и иные структурно-чувствительные) свойства
вследствие текстурирования эти свойства выявляют анизотропию
вводятся остаточные напряжения
____________________________________________________________________

Повышение прочности и понижение пластичности

% удлинения

преимущественная ориентация кристаллографических направлений и плоскостей зерен, т.е. текстура. Текстура характеризуется анизотропией (т.е. зависимостью от направления) механических и иных свойств.
Всегда наблюдается некоторая степень разориентации (рассеяние текстуры).

направ-ление прокатки

При прокатке листов прочность максимальна в направлении прокатки, а % удлинения максимален под углом 45° по отношению к направлению прокатки

При прокатке возникает направление, параллельное плоскости прокатки, и плоскость, параллельная плоскости прокатки.

Например, при волочении возникает аксиальная текстура.

запасаться в сети дислокаций. Таким образом, внутренняя энергия материала при наличии остаточных напряжений увеличивается.

Дробеструйное упрочнение

Бомбардируя поверхность с высокой скоростью стальными шариками, в материал вводят остаточные напряжения сжатия. Это приводит к повышению усталостной выносливости.

На поверхности прокатанной пластины присутствуют остаточные напряжения.
Если с одной стороны пластины удалить небольшое количество металла, эта пластина изогнется

изгибающая сила F

Общее напряжение, действующее на поверхность балки, вмонтированной в стену, является суммой приложенного напряжения и остаточных растягивающих напряжений. Таким образом, несущая способность балки ухудшается

Если на поверхности, наоборот, запасены сжимающие напряжения, приложенное растягивающее напряжение частично компенсируется остаточными напряжениями. Такая балка имеет хорошую несущую способность. Она может выдержать большую нагрузку по сравнению с балкой, не имеющей остаточных напряжений.

1.Остаточные растягивающие напряжения

1.Остаточные сжимающие напряжения

температуры, выдержка в течение некоторого времени и медленное охлаждение)
закалка (нагрев до определенной температуры и быстрое охлаждение)
старение (очень длительная выдержка при небольшом нагреве).
____________________________________________________
ОТЖИГ
используется с различными целями, например:
для гомогенизации
для исключения части эффектов, даваемых холодной обработкой
Если отжиг происходит с фазовым превращением, то он называется отжигом II рода, если без него, то I рода.

СТАДИИ ОТЖИГА I рода

после 1. Возврат 2. Рекристаллизация 3. Рост зерен

различают 3 стадии отжига:

1 стадия - возврат – это низкотемпературный отжиг. На этой стадии дислокации 1 (показаны штриховыми линиями на первом рисунке) передвигаются и формируют границы 2 полигонизированной субзеренной структуры. Форма зерен 3 после возврата остается той же самой, что для исходного материала .
2 стадия - рекристаллизация – это отжиг при средних температурах (выше так называемой температуры рекристаллизации). На этой стадии возникают новые маленькие зерна 4, которые формируют полигонизированную структуру, при этом устраняется большинство дислокаций.
3 стадия - рост зерен. При еще более высоких температурах происходит рост зерен.

холодной обработки

хол.обр.

200 400 600 800

температура отжига °C

1. Возврат
2. Рекристаллизация
3. Рост зерен

Сплав Cu - 35% Zn

-размер зерна быстро уменьшается при начале рекристаллизации
-предел прочности возрастает при холодной обработке и уменьшается после отжига
-% удлинения уменьшается при холодной обработке и увеличивается после отжига

предел прочности

размер зерна

% удлинения

электро-проводность

Влияние холодной обработки на ряд физических свойств

Влияние отжига при различной температуре после 75% хол.обр.

необходимо из толстой пластины толщиной 100 мм изготовить лист толщиной 1 мм, можно использовать следующую последовательность операций:

1.Провести максимально возможную холодную обработку.
2. Отжечь металл, чтобы сделать его более мягким (пластичным).
3. Провести холодную обработку снова.
4. Снова повторить отжиг

Цикл холодная обработка-отжиг нужно повторять до тех пор, пока не будет достигнута необходимая толщина.

Комбинирование механических и термических воздействий

Характерные температуры рекристаллизации не так уж велики.
Так, для меди, температура плавления которой равна 1085 градусам Цельсия, температура рекристаллизации составляет всего порядка 200 градусов Цельсия.

рекристаллизации. В течение горячей обработки непрерывно продолжаются процессы рекристаллизации.

Здесь зерна имеют удлиненную форму и анизотропные свойства. Поскольку температура достаточно высока, они начинают немедленно рекристаллизовываться.

Конечный размер зерен может быть достаточно малым. Во время горячей обработки не происходит упрочнения, зато степень пластической деформации может быть практически неограниченной.

Горячая обработка хорошо подходит для изготовления больших деталей: прокатки рельсов, длинных балок, труб.
Во время горячей обработки могут быть закрыты и заплавлены некоторые несовершенства, такие, как поры и трещины.
Однако, качество поверхности будет хуже, чем при холодной обработке.
При высоких температурах кислород лучше реагирует с металлом и дает оксидную пленку на поверхности.
Также более трудно контролировать точность припусков вследствие теплового расширения. Металл сжимается по мере охлаждения до комнатной температуры.

и паразитными, например, при сварке. Сварка формирует термически измененную зону. Свойства металла в области сварного шва катастрофически снижаются: рекристаллизация и рост зерен вызывают потерю прочности.

Сварка

Для уменьшения негативных последствий используют плавку лазером или электронным пучком, которые обеспечивают более высокую скорость подачи тепла.

горячей обработке в огромной степени – более чем на 1000%.
Это называется сверхпластичностью. При сверхпластичности гигантские однородные деформации достигаются за счет зернограничного скольжения мелких зерен (порядка 5 мкм) при очень малых скоростях деформации (порядка ) .
Несмотря на высокую температуру, зерна не должны расти в течение всего периода деформирования. В промышленных условиях это достигается использованием двухфазных сплавов (в многофазных сплавах температура и время рекристаллизации выше, чем в однофазных).

очень тонкую зеренную структуру (диаметр зерна менее 5 мкм).
Сплав должен быть деформирован при достаточно высокой температуре, порядка 0,5-0,65 от температуры плавления.
Используется очень маленькая скорость деформации. Прилагаемая нагрузка должна быть чувствительна к скорости деформации, т.к. если образуется шейка, то область шейки деформируется с большей скоростью, а большая скорость упрочняет шейку и тормозит деформацию.
Зерна должны быть равноосными (т.е.иметь округлую форму). При приложении нагрузки границы зерен должны позволять зернам легко скользить одно относительно другого и вращаться (реализуя так называемый механизм зернограничного проскальзывания)

Сверхпластичность известна для некоторых металлов,
включая сплавы Cu – 10%Al, Zn – 23%Al.
Это явление существует и для хрупких материалов (керамики )