Wszystkie materiały charakteryzuje granica sprężystości, po przekroczeniu której zaczyna się coś w nich dziać. Całkowicie kruche materiały pękają albo gwałtownie (jak szkło), albo stopniowo (jak beton lub beton zbrojony). Większość materiałów technicznych czyni to nieco odmiennie; odkształcają się one plastycznie lub zmieniają swoje kształty trwale. Jest bardzo ważne wiedzieć, kiedy i jak się one odkształcają. Podstawowe właściwości mechaniczne materiałów Szczegółowa znajomość jak zachowują się materiały pod wpływem obciążenia umożliwia projektowanie konstrukcji mogących przenieść obciążenia eksploatacyjne bez trwałych odkształceń, a także projektowanie walcarek, pras do blach i maszyn kuźniczych, które będą wystarczająco wytrzymałe, by spowodować żądane odkształcenia w kształtowanym materiale. Badamy to rozciągając starannie przygotowane próbki na zrywarce lub ściskając je na maszynie do ściskania, rejestrując przy tym naprężenie konieczne do wywołania żądanego odkształcenia.
Sprężystość liniowa
Wszystkie materiały charakteryzują się liniową sprężystością dla małych
odkształceń - najczęściej przyjmuje się je jako mniejsze niż 0,001 (0,1%).
Nachylenie linii naprężenie-odkształcenie, które jest takie samo w przypadku ściskania, jak i rozciągania, wyznacza moduł Younga E. Powierzchnia (zakreskowana) oznacza zmagazynowaną energię odkształcenia sprężystego,
przypadającą na jednostkę objętości: ponieważ jest to materiał sprężysty, możemy ją wyzwolić odciążając materiał, który zachowa się jak sprężyna płaska.
Sprężystość nieliniowa
Na rysunku 8.2 przedstawiono materiał o sprężystości nieliniowej. Taką krzywą
naprężenie-odkształcenie charakteryzuje się guma, mająca możliwość rozciągania się do bardzo dużych odkształceń (ok. 5). Materiał jest ciągle sprężysty: jeśli odciążymy go, powróci do stanu początkowego tą samą drogą co podczas obciążania i cała energia przypadająca na jednostkę objętości, zmagazynowana podczas obciążania, będzie odzyskana podczas odciążania - dlatego katapulty są tak groźne.
Właściwości asprężyste materiałów
Na rysunku 4.3 przedstawiono trzeci rodzaj sprężystego zachowania się materiału. Jest on określany mianem asprężystości. Wszystkie materiały wykazują asprężystość w pewnym wąskim zakresie: nawet wówczas, gdy są one nominalnie sprężyste, krzywa obciążania nie odpowiada dokładnie krzywej odciążania - energia jest rozpraszana (odpowiednio do zakreskowanego obszaru), gdy materiał jest obciążany i odciążany cyklicznie).
Jest to zjawisko pożyteczne, jeśli zależy nam np. na stłumieniu drgań lub hałasu; można w tym celu wykorzystać polimery lub miękkie metale (np. ołów), które odznaczają się dużą zdolnością tłumienia (dużymi stratami związanymi z asprężystością). Często jednak tłumienie jest niepożądane - np. sprężyny i dzwony są wykonywane z materiałów o małej zdolności tłumienia (ze stali sprężynowych, brązów, szkła).
Wykresy obciążenie-wydłużenie dla materiałów niesprężystych (plastycznych)
Prawie wszystkie materiały odkształcone więcej niż ok. 0,001 (0,1%) stają się w tym zakresie niesprężyste; większość materiałów technicznych odkształca się plastycznie, co powoduje trwałą zmianę ich kształtu. Podczas obciążania metal ciągliwy (np. miedź) rozciąga się. Wykres obciążenie-wydłużenie podczas rozciągania. Jeśli materiał obciążymy przez ściskanie, wykres siła-przemieszczenie dla małych odkształceń jest prostym odwróceniem wykresu - rozciągania, natomiast dla dużych odkształceń różni się od wykresu rozciągania. Gdy próbka jest coraz bardziej ściskana, staje się krótsza i grubsza, zachowując swoją objętość, a siła konieczna do wywołania jej odkształcenia rośnie. Brak takiego zjawiska niestabilności jak tworzenie szyjki sprawia, że próbka może być ściskana nieograniczenie do czasu wystąpienia gwałtownych pęknięć próbki lub odkształcenia plastycznego płyt ściskających.
Krzywe naprężenie rzeczywiste-odkształcenie dla plastycznego płynięcia
Różnice między wykresami rozciągania i ściskania wynikają wyłącznie ze sposobu przedstawienia wyników badań. Jeśli narysujemy wykres w układzie obciążenie (siła) podzielone przez aktualną powierzchnię przekroju próbki A - wydłużenie lub ściśnięcie, to będą one do siebie bardzo podobne. Innymi słowy, na osi pionowej wykresu (rzędnej) zaznaczamy naprężenie rzeczywiste. W ten sposób uwzględniamy zachodzące podczas badania zmiany przekroju próbki - zmniejszanie podczas rozciągania oraz zwiększanie w czasie ściskania.
Mimo wszystko, te dwa wykresy nie w pełni się pokrywają, jak to widać na rys. 8.7. Dzieje się tak dlatego, że przemieszczenie (na przykład) u = /0/2 -podczas rozciągania (wydłużenie) i podczas ściskania (ściśnięcie)
prowadzi do różnych odkształceń; w przypadku rozciągania będzie to wydłużenie próbki od lo do 1,5 l0, a w przypadku ściskania ściśnięcie od l0 do 0,5 l0 .
Materiał w próbce ściskanej zostanie znacznie bardziej odkształcony plastycznie niż materiał w próbce rozciąganej i trudno oczekiwać, aby był on w tym samym stanie lub odznaczał się taką samą zdolnością do odkształcenia plastycznego. Poprawne porównywanie materiału w tych dwóch stanach jest możliwe tylko wówczas, gdy bierzemy pod uwagę małe przyrosty odkształcenia dla których stan materiału jest taki sam zarówno dla rozciągania, jak i dla ściskania.
Można powiedzieć, że zmniejszenie długości ze 100 mm (/0) do 99 mm (/),
lub zwiększenie ze 100 mm (/0) do 101 mm (/) oznacza w obu przypadkach
1% zmiany w stanie materiału. W rzeczywistości nie jest to dokładnie 1% w
obu przypadkach, ale w przedziale Jeżeli naprężenia w próbie ściskania i rozciągania wykreślimy w funkcji: krzywe ściskania i rozciągania są swoimi lustrzanymi odbiciami. Wielkość e jest określana jako rzeczywiste wydłużenie względne (w przeciwieństwie do odkształcenia nominalnego u/l0, a tak sporządzone
wykresy są nazywane wykresami naprężenie rzeczywiste / rzeczywiste wydłużenie względne ( s / e ).
Próba rozciągania
Właściwości plastyczne materiałów określa są zwykle w próbie rozciągania. Urządzenia do przeprowadzenia prób rozciągania wchodzą w skład wyposażenia wszystkich laboratoriów badania materiałów. Służą one do sporządzania wykresów obciążenie/wydłużenie ( F / u ), które następnie są przekształcane na wykresy naprężenie nominalne/odkształcenie nominalne lub sn / en
Oraz Zrozumiałym jest, że wykres sn/en jest taki sam jak wykres obciążenie /wydłużenie, ponieważ A0 i l0 mają stałą wartość. Jednakże wykresy sn/en umożliwiają przede wszystkim porównywanie danych dla próbek mających różne (ale też znormalizowane) A0 i l0 oraz określanie właściwości materiałów niezależnie od wielkości próbek. Wygodniejsze jest przedstawianie naprężenia jako nominalnego, a nie jako rzeczywistego, ponieważ początek tworzenia się szyjki jest wyraźnie
Przejdźmy teraz do zdefiniowania wielkości otrzymanych w próbie rozciągania.
Własności mechaniczne przy skręcaniu
Wartości wytrzymałości na skręcanie Rs obliczyć można na podstawie wykresu skręcania; momentu skręcającego Ms od kąta skręcenia próbki f
gdzie: Ms - moment skręcający [ Nm ],
Ws - wskaźnik przekroju na skręcanie [ m3 ].
Rs - wytrzymałość na skręcanie,
RHs - granica proporcjonalności przy skręcaniu,
Rsps - granica sprężystości przy skręcaniu,
Res - granica plastyczności przy skręcaniu.
Twardość materiału
Twardość jest własnością, którą nie można zdefiniować jednoznacznie. W różnych próbach których celem jest pomiar twardości, w rzeczywistości mierzy się różne własności. Próby te można sklasyfikować w zależności od rodzaju oporu materiału, stawianego podczas badania; statyczne próby twardości ( materiał ulega plastycznemu odkształceniu), dynamiczne próby twardości ( obciążenie udarowe, odkształcenie sprężyste lub plastyczne), próby zarysowania, próby twardości (w których decyduje ścieralność materiału ).
Statyczne próby twardości
Metoda Brinella
Metoda Yickersa
Metoda Rockwella
DYSLOKACJE I UPLASTYCZNIENIE KRYSZTAŁÓW
W poprzednich rozważaniach przedstawiono wartości granicy plastyczności wielu
materiałów inżynierskich uzyskane doświadczalnie w próbach zrywania.
Czy możemy oszacować wartość granicy plastyczności materiału na podstawie
znajomości jego budowy (struktury) i sztywności wiązań między atomami?
Proste obliczenia (przedstawione w dalszej części rozdziału) dają w wyniku wartości
znacznie większe niż przedstawione w poprzednim rozdziale. Dzieje się tak dlatego, że rzeczywiste kryształy zawierają defekty, dyslokacje, które mogą się bardzo łatwo przemieszczać. Podczas przemieszczania się dyslokacji kryształ odkształca się; naprężenie konieczne do zapoczątkowania ich ruchu odpowiada granicy plastyczności. Dyslokacje są więc "nośnikami" odkształcenia, podobnie jak elektrony są "nośnikami" ładunku elektrycznego.
Wytrzymałość kryształu idealnego Nachylenie krzywej siła oddziaływania międzyatomowego-odległość między atomami w stanie równowagi jest proporcjonalne do modułu Younga E. Siły między-atomowe osiągają minimum wartości dla odległości między środkami atomów wynoszącej 2r0.
Maksimum na krzywej siła-odległość przypada zwykle dla odległości między atomami l,25r0 i jeśli wywołane w materiale naprężenie przekracza to maksimum siły wiązania, może nastąpić pęknięcie. Naprężenie, przy którym nastąpi zerwanie wiązania, nazywa się wytrzymałością teoretyczną , materiał nie może być bardziej wytrzymały.
Wady budowy krystalicznej i ich wpływ na własności metali
W rzeczywistości metale i kryształy innych pierwiastków wykazują skończone
wymiary i liczne wady budowy krystalicznej. Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na:
- punktowe,
- liniowe,
- powierzchniowe.
Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wykazują, że najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej,
Wady punktowe budowy krystalicznej
Do wad punktowych, cechujących się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach, należą wakanse, tj. wolne węzły w sieci krystalicznej, oraz atomy międzywęzłowe, które zajęły pozycje w lukach, opuszczając węzły sieci na skutek drgań cieplnych. Obecność zarówno wakansów, jak i atomów międzywęzłowych, powoduje wokół nich lokalne odkształcenie sieci przestrzennej kryształu, zwane odpowiednio kontrakcją lub ekspansją
Liczba wad punktowych budowy krystalicznej jest funkcją temperatury.
Podwyższeniu temperatury towarzyszy wzrost amplitudy drgań cieplnych, co ułatwia opuszczenie przez rdzenie atomowe pozycji w węźle sieci krystalicznej. Ponieważ nasilenie tych zjawisk następuje wraz ze wzrostem temperatury, dlatego
są nazywane procesami aktywowanymi cieplnie.
Dyslokacje i ich własności
Liniowymi wadami budowy krystalicznej są dyslokacje. Do głównych rodzajów
dyslokacji należą: dyslokacje krawędziowe, dyslokacje śrubowe, dyslokacje mieszane.
Dyslokacja krawędziowa stanowi krawędź ekstrapłaszczyzny, tj. półpłaszczyzrny
sieciowej umieszczonej między nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. Wokół dyslokacji krawędziowej występuje jednocześnie postaciowe i objętościowe odkształcenie kryształu.
Dyslokacja jest szczególnym rodzajem defektu, który sprawia, że odkształcenie
plastyczne materiałów (tzn. ich uplastycznienie) zachodzi przy naprężeniu znacznie
mniejszym niż .Ruch dyslokacji wywołuje odkształcenie plastyczne.
POŚLIZG DYSLOKACJI
Dyslokacje krawędziowe leżące w płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami będących płaszczyznami poślizgu, przemieszczają się pod działaniem naprężenia stycznego t.
DYSLOKACJA ŚRUBOWA
Dyslokacja śrubowa to defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części kryształu wokół osi, zwanej linią dyslokacji śrubowej. Wokół dyslokacji śrubowej występuje jedynie postaciowe odkształcenie sieci krystalicznej. Dyslokacje śrubowe mogą być prawoskrętne lub lewoskrętne.
Poślizg związany z ruchem dyslokacji śrubowej polega na przemieszczaniu się linii dyslokacji śrubowej w głąb kryształu, prostopadle do działania naprężenia stycznego t.
DYSLOKACJE MIESZANE
Dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa b względem linii dyslokacji noszą nazwę mieszanych. Można je traktować jako nałożone na siebie dyslokacje
krawędziowe i śrubowe. Dyslokacje tworzą w obrębie kryształu zamknięte pętle, które nie mogą być przerwane, chyba że wyjdą na powierzchnię. Krzywoliniowe odcinki pętli są dyslokacjami mieszanymi, natomiast odcinki pętli, do których wektor Burgersa jest prostopadły lub równoległy, są odpowiednio dyslokacjami krawędziowymi lub śrubowymi .
Granice ziarn
Metale techniczne otrzymywane konwencjonalnymi metodami metalurgicznymi są zwykle polikryształami. Składają się z ziarn, z których każe ma w przybliżeniu prawidłową strukturę krystaliczną. Przypadkowa orientacja krystaliczna poszczególnych ziarn w metalach polikrystalicznych decyduje o niemal jednakowych własnościach tych materiałów w różnych kierunkach; dlatego materiały te noszą nazwę quasi-izotropowych. Wzrost wielkości ziarn znacznie wpływa na zwiększenie anizotropii własności metalu. Zwykle w obrębie ziarn można wyróżnić po ziarna lub bloki o wielkości ok. 10-4 - 10-6 cm.
Poszczególne elementy bloków lub podziarna ułożone względem siebie pod bardzo małymi kątami - od kilku minut do kilku stopni.
Granice międzyfazowe
Granice między ziarnami różnych faz są nazywane granicami międzyfazowymi. Granice międzyfazowe, oddzielające fazy, różniące się parametrami i typem sieci, mają budowę zbliżoną do granic szerokokątowych.
Granice międzyfazowe można podzielić na:
- koherentne,
- półkoherentne,
- niekoherentne.
Międzyfazowe granice koherentne (spójne) charakteryzują się dobrym dopasowaniem sieci sąsiadujących faz, w przeciwieństwie do granic niekoherentnych. Częściowe dopasowanie wykazują granice półkoherentne, cechujące się występowaniem dyslokacji na granicy.