1. ODKSZTAŁCENIA

Nominalne liniowe – spowodowane przez naprężenie rozciągające odkształcenie w kierunku działającego naprężenia normalnego σ, $\mathbf{}_{\mathbf{n}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{l}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{l -}\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}$, np.ε_n=1 oznacza że materiał podczas rozciągania wydłużył się dwukrotnie. Wadą odkształcenia jest to, że jeśli odkształcenie jest realizowane w kilku etapach to odkształcenie całkowite nie jest sumą odkształceń w poszczególnych etapach

Poprzeczne – jest miarą zmiany przekroju poprzecznego wyrażone poprzez wzór $\mathbf{}_{\mathbf{p}}\mathbf{= -}\frac{\mathbf{a}}{\mathbf{a}_{\mathbf{0}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{a -}\mathbf{a}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{a}_{\mathbf{0}}}$.

Postaciowe – jeśli ciało zaznaczone linią przerywaną zmieni kształt pod wpływem naprężenia stycznego τ do kształtu zaznaczonego linią ciągłą to z definicji odkształcenie postaciowe tego ciała wynosi $\mathbf{}\mathbf{=}\frac{\mathbf{w}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}\mathbf{= tgF}$

Współczynnik Poissona – jest definiowany jako stosunek odkształcenia poprzecznego do odkształcenia wzdłużnego

Odkształcenie rzeczywiste – nazywane również odkształceniem logarytmicznym, przy jego wyznaczaniu przyrosty długości próbki dl jest odnoszony do długości chwilowej próbki l ${\mathbf{d}\mathbf{}}_{\mathbf{l}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\text{dl}}}{\mathbf{l}}$. Całkując to równanie od długości początkowej l₀ do końcowej l_k otrzymujemy $\mathbf{}_{\mathbf{r}}\mathbf{=}\int_{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}^{\mathbf{l}_{\mathbf{k}}}{\frac{\mathbf{\text{dl}}}{\mathbf{l}}\mathbf{= ln}\frac{\mathbf{l}_{\mathbf{k}}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}}$. Odkształcenie logarytmiczne jest sumowalne.

2. GRANICA PLASTYCZNOŚCI – to wartość naprężenia przy którym zaczynają powstawać trwałe odkształcenia plastyczne. Wyróżnia się też umowną granice plastyczności $\mathbf{R}_{\mathbf{0,2}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{F}_{\mathbf{0,2}}}{\mathbf{S}_{\mathbf{0}}}$

Próba rozciągania - do R_m następuje jedynie zmiana długości próbki próbka staje się też cieńsza i stały wzrost siły rozciągającej. Do wystąpienia obciążenia maksymalnego próbka odkształca się równomiernie. Po przekroczeniu wytrzymałości na rozciąganie następuje proces tworzenia się szyjki. Następnie próbka odkształca się już tylko w zakresie przewężenia bez wzrostu siły rozciągającej. Końcowy etap to zerwanie próbki.

Wytrzymałość na rozciąganie R_m – to naprężenie odpowiadające największej sile rozciągającej F_m uzyskanej w czasie statycznej próby rozciągania odniesione do przekroju początkowego próbki. $\mathbf{R}_{\mathbf{m}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{F}_{\mathbf{m}}}{\mathbf{S}_{\mathbf{0}}}$

Wydłużenie % po zerwaniu – stosunek zmiany długości próbki w momencie zerwania do długości początkowej wyrażony w procentach. $\mathbf{A =}\frac{\mathbf{l}_{\mathbf{u}}\mathbf{-}\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}{\mathbf{l}_{\mathbf{0}}}\mathbf{100\%}$

Przewężenie % po zerwaniu – stosunek zmniejszenia się pola przekroju poprzecznego próbki wyrażony w procentach. $\mathbf{Z =}\frac{\mathbf{S}_{\mathbf{0}}\mathbf{-}\mathbf{S}_{\mathbf{u}}}{\mathbf{S}_{\mathbf{o}}}\mathbf{100\%}$

Wyraźna granica plastyczności – powodem jej pojawienia się jest obecność w strukturze atomów międzywęzłowych C i N, które tworząc skupiska wokół dyslokacji utrudniają ich poślizg. Do momentu wystąpienia znaczącego poślizgu dyslokacji konieczne są naprężenia R_eH. Dalsze odkształcenia zachodzą przy mniejszych naprężeniach pochodzących od przyłożonej siły ponieważ uruchomione dyslokacje tworzą na napotkanych przeszkodach przeszkody spiętrzania co prowadzi do dodatkowych naprężeń.

3. MODUŁ SPRĘŻYSTOŚCI YOUNGA – moduł sprężystości jest zdefiniowany prawem Hooke’a σ=Eε. Jest to wielskość określająca sprężystość materiału. Wyraża ona charakterystyczną dla danego materiału zależność względem odkształcenia ε materiał od naprężenia σ jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych. Odkształcenie w zakresie liniowo-sprężystym następuje dzięki zmianie odległości między atomami. Wartość modułu Younga jest zatem miarą oporu stawianego przez sąsiednie atomy podczas zwiększania między nimi odległości. Maleje ze wzrostem temperatury a w warunkach pełzania zależy od szybkości odkształcenia. Jednostką jest Pascal [N/m²]. Zależy od rodzaju materiału tj. od rodzaju wiązań, struktury krystalicznej, składu chemicznego. Nie zależy od mikrostruktury i obróbki cieplnej. Jest hipotetycznym naprężeniem które wystąpiłoby przy dwukrotnym wydłużeniu próbki przy założeniu że jej przekrój nie ulegnie zmianie (przy wsp. Poissona = 0)

6. PRAWO HOOKE’A – określa zależność odkształcenia ε od naprężenia σ. Odkształcenie ciała pod wpływem działającej na niego siły jest wprost proporcjonalne do tej siły. Jest ono prawdziwe tylko dla stosunkowo małych odkształceń nie przekraczających tzw. granicy Hooke’a σ=E•ε Granica Hooke’a czyli granica proporcjonalności w praktyce jest umowną granicą sprężystości która jest wartością naprężenia powodującą trwałe wydłużenie 0,001%

7. TWARDOŚĆ

Twardością nazywamy opór materiału przeciw wciskaniu wgłębnika. Im wgłębnik zagłębia się głębiej tym twardość jest mniejsza.

Metoda Brinella – do pomiaru twardości stosowany jest wgłębnik w postaci kulki z węglika wolframu o średnicy 1;2,5;5;10mm który jest wciskany w powierzchnię z siłą proporcjonalną do wielkości wgłębnika przez 10 – 15s, następnie następuje pomiar średnicy odcisku po usunięciu obciążenia. Miarą twardości jest stosunek siły obciążającej [N] do powierzchni (czaszy) utworzonego wgłębnika [mm] pomnożony przez stałą. $\mathbf{HBW = 0,102}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{S}}$. Metoda nie może być stosowana do materiałów bardzo miękkich i bardzo twardych. Badana powierzchnia powinna być płaska i wypolerowana.

Metoda Vickersa – miarą twardości jest iloraz przyłożonej siły do powierzchni odcisku pomnożony przez stałą. Jako wgłębnik stosowana jest piramida diamentowa o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136^o. Po wciśnięciu wgłębnika mierzone są długości przekątnych a twardość wylicza się ze wzoru $\mathbf{HV = 0,102}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{S}}$. Czas pomiaru 10 – 15s. W tej metodzie wgłębnik jest używany do wszystkich materiałów (b.twardych i b.miekkich). Pomiar przeprowadzany na gładkiej i równej powierzchni z usuniętą warstwą tlenków i zanieczyszczeń oraz odtłuszczony. Grubość 1,5x większa od długości. Duża dokładność pomiarów, pomiar bardzo małych elementów, cienkich blach i warstw wierzchnich.

Metoda Rockwella – pomiar twardości dokonuje się na zasadzie pomiaru głębokości odcisku. Wgłębnikami są kulki stalowe lub z węglików spiekanych o średnicy 1,5875 i 3,175mm lub stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120^o. Najczęstsze obciążenie to 60, 100, 150kg. Metoda polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika w materiał. Początkowo jest to obciążenie wstępne w celu eliminacji błędów np. chropowatości powierzchni. Następnie przykładane jest obciążenie główne. Po upływie określonego czasu usuwa się obciążenie główne pozostawiając obciążenie wstępne i odczytuje twardość materiału. Wadą metody jest posługiwanie się kilkoma skalami zależnymi od wyboru wgłębnika i obciążenia. Odczyt twardości następuje bezpośrednio z urządzenia pomiarowego. $\mathbf{\text{HR}}\left( \mathbf{A,B,C}\mathbf{\text{..K}} \right)\mathbf{= N -}\frac{\mathbf{h}}{\mathbf{S}}$, N – stała liczbowa =100 stożka, =130 kulka. Próbka powinna być dobrze oczyszczona, grubość >10x głębokość odcisku

Metoda Poldi – metoda dynamicznego pomiaru twardości. Pomiar dokonywany za pomocą tzw. młotka Poldi. Wgłębnikiem jest kulka stalowa o średnicy 10mm umieszczona pomiędzy płytką wzorca o znanej twardości HBW (najczęściej 202HBW) i badanym elementem. Uderzając kulka wytwarza odcisk na obu materiałach. Mierząc średnice w materiale badanym d_x i wzorcowym d_w oraz oblicza twardość materiału ze wzoru

$\mathbf{\text{HB}}_{\mathbf{x}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{D -}\sqrt{\mathbf{D}^{\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{d}_{\mathbf{w}}^{\mathbf{2}}}}{\mathbf{D -}\sqrt{\mathbf{D}^{\mathbf{2}}\mathbf{-}\mathbf{d}_{\mathbf{x}}^{\mathbf{2}}}}\mathbf{}\mathbf{\text{HB}}_{\mathbf{w}}$

Metoda Shore’a – pomiar twardości polega na pomiarze wysokości odskoku bijaka uderzającego w powierzchnię badanego elementu z określoną energią. Jest to właściwie pomiar sprężystości materiału. W tej metodzie materiał twardy będzie bardziej sprężysty niż materiał miękki. Przyrządy do badania nazywają się skleroskopami. W nowych urządzeniach wykorzystuje pomiar prędkości odbitego bijaka co umożliwia odczyt cyfrowy i zautomatyzowanie.

8. ROLA DEFEKTÓW STRUKTURY

Ze względu na geometrię wyróżnia się defekty: punktowe, liniowe, powierzchniowe. Wywierają one znaczący wpływ na własności

Defekty punktowe – np. wakancja, atom substytucyjny, obcy atom. Jest rezultatem drgań cieplnych atomów. Równowagowe stężenie tych defektów rośnie wykładniczo z temperaturą.

Defekty liniowe – dyslokacje, odgrywają podstawową rolę w odkształceniu plastycznym materiałów krystalicznych. Są defektami stabilnymi termodynamicznie, ich obecność powoduje wzrost energii swobodnej metalu. Spowodowane jest to tym że obecność dyslokacji powoduje wyraźny wzrost energii wewnętrznej materiału i jedynie bardzo mały wzrost entalpii. Materiał ze względu na dyslokacje osiąga minimum energii swobodnej gdy wszystkie dyslokacje zostaną z niego usunięte. Oddziaływania sprężyste między przestrzennymi układami dyslokacji uniemożliwiają jednak usunięcie wszystkich dyslokacji z materiału. Wyróżniamy dyslokację śrubową i krawędziową.

Defekty powierzchniowe – np. granice ziarn będące obszarami styku dwóch kryształów/ziarn o różnej orientacji, są dwuwymiarowymi zaburzeniami struktury krystalicznej

9. PRAWO SHMIDA-BOUSA

Ѳ – kąt nachylenia płaszczyzny poślizgu do osi pręta

λ - kąt nachylenia kierunku poślizgu do osi pręta

$\mathbf{S}_{\mathbf{p}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{S}}{\mathbf{sinF}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{S}}{\mathbf{cosF}}$ przekrój pręta w płaszczyźnie poślizgu

N = F•sinѲ, T = F•cosѲ składowe siły w przekroju

$$\mathbf{\sigma}_{\mathbf{p}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{N}}{\mathbf{S}_{\mathbf{p}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{FsinF}}{\mathbf{S}_{\mathbf{p}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{\sigma SsinF sin\Phi}}{\mathbf{S}}\mathbf{= \sigma sinF sin\Phi}$$

$$\mathbf{\tau =}\frac{\mathbf{\text{Fcos}}\mathbf{}}{\frac{\mathbf{S}}{\mathbf{\text{cosΦ}}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{F}}{\mathbf{S}}\mathbf{cos\Phi cos}\mathbf{}\mathbf{= \sigma cos}\mathbf{}\mathbf{}\mathbf{\text{cosΦ}}$$

τ_k=σ_kcoscosΦ=σ_km

σ_k – naprężenia rozciągające jakie należy przyłożyć aby spowodować odkształcenie plastyczne, m – wsp. Shmida

1. Wielkość próbki – w małych przekrojach wykazują większe w zakresie łatwego poślizgu niż próbki o dużych przekrojach

2. Temperatura – ze wzrostem temperatury maleje wielkość odkształcenia w zakresie łatwego poślizgu, a w odpowiednio dużej temperaturze poślizg może w ogóle nie wystąpić

3. Energia błędu ułożenia – w przypadku struktury Reg. Ściennie centrowanej z obniżeniem wartości energii błędu ułożenia rośnie wartość odkształcenia w zakresie łatwego poślizgu

4. Atomy rozproszone – atomy domieszki mocno oddziałują z dyslokacjami to zmniejszają ich średnią drogę swobodną tym samym ograniczają zakres łatwego poślizgu. Jeżeli domieszki obniżają głównie energię błędu ułożenia to zwiększają odkształcenie w zakresie łatwego poślizgu.

10. UMOCNIENIE WYDZIELENIOWE

Z umocnieniem wydzieleniowym (utwardzeniem wydzieleniowym, umocnieniem przez starzenie) mamy do czynienia wówczas, jeżeli cząstki umacniające tworzą się dzięki wydzielaniu z roztworu przesyconego lub w wyniku uporządkowania dalekiego zasięgu. Etap składa się z dwóch procesów: Przesycania (nagrzewanie materiału do temperatury poniżej linii solidus ale na tyle wysokiej aby stop o danym składzie był jednofazowy. Przy szybkim schładzaniu otrzymuje się przesycony roztwór w stanie metastabilnym). Starzenie (polega na wygrzewaniu w temperaturze niższej od temperatury przesycania w celu wydzielenia się z roztworu stałego przesyconego fazy zawierającej składnik stopowy znajdujący się w roztworze w nadmiarze. Może skutkować dwukrotnym zwiększeniem wytrzymałości. Występuje starzenie naturalne i sztuczne w temp podwyższonej)

11. UMACNIANIE DYSPERSYJNE

W stopach umocnionych dyspersyjnie w miękkiej osnowie metalicznej znajdują się twarde nierozpuszczalne cząstki, np. tlenków Al2O3 w Al lub Cu, ThO2 w Ni. Materiały takie uzyskuje się przez utlenianie wewnętrzne lub metalurgią proszków w trakcie tzw. mechanicznego wytwarzania stopów. Ze względu na dużą stabilność stopy utwardzane dyspersyjnie zachowują dużą wytrzymałość w wysokiej temperaturze.

12. BLIŹNIAKOWANIE – drugie odkształcenie mechaniczne obok poślizgu. Jest to nagły proces poślizgu zachodzący w niewielkim obszarze struktury ściśle ograniczony przez granice bliźniacze. Po utworzeniu bliźniaka jego orientacja jest różna od orientacji osnowy. Bliźniakowaniu sprzyja: duża prędkość odkształcenia, niska temperatura, niska wartość Energii Błędu Ułożenia. Utworzenie bliźniaka następuje poprzez tzw. ruch dyslokacji częściowej (o wektor Burgersa mniejszy od wektora dyslokacji jednostkowej) po płaszczyznach atomów równoległych do granicy bliźniaczej

Skutkiem bliźniakowania jest bliźniaczy (lustrzany) obraz krystalicznej względem płaszczyzny deformacji.

13. MATERIAŁ ANELASTYCZNY – wszystkie ciała stałe są w mniejszym lub większym stopniu an elastyczne ponieważ nigdy krzywa odciążania nie pokrywa się dokładnie z krzywą obciążania czyli następuje rozpraszanie energii (tłumienie drgań, eliminacja hałasu)

14. PĘKANIE

Pękanie plastyczne

Rozprzestrzenianiu się pękania towarzyszy intensywne odkształcenie plastyczne. Wymaga ono stałego doprowadzania energii z zewnątrz. Pęknięcie w próbce zmniejsza jej pole przekroju poprzecznego S. Biorąc pod uwagę, że σ = F/S w przekroju próbki, w którym znajduje się pęknięcie naprężenie jest większe. Jeżeli pęknięcie jest małe, to zmiana przekroju i wzrost naprężenia średniego są również małe. Podczas obciążania materiał ciągliwy odkształca się i absorbuje energię, dlatego pęknięcie nie powoduje istotnych zmian w jego zachowaniu.

Pękanie kruche

Zachodzi bez zauważalnych śladów odkształcenia plastycznego zarówno przed jak i w czasie pękania. Charakteryzuje się małą energochłonnością procesu, nie wymaga zwiększania naprężenia dla propagacji pęknięcia. Po osiągnięciu określonego obciążenia próbka pęka przy naprężeniu znacznie mniejszym od granicy plastyczności. Dlatego pękanie konstrukcji pod działaniem naprężenia znacznie mniejszego od granicy plastyczności jest zjawiskiem bardzo niebezpiecznym. Przypadki takich zniszczeń były spektakularne: kotły, mosty, statki, gazo- i ropociągi oraz samoloty. Pęknięcie w materiale powoduje koncentrację naprężenia. Naprężenie lokalne σ lok - proporcjonalne do liczby linii sił na jednostkę długości przekroju poprzecznego, rośnie gwałtownie przed ostrym wierzchołkiem pęknięcia z promieniem zaokrąglenia bliskim zeru.

Mechanika pękania - umożliwia ilościową ocenę zdolności elementów konstrukcji z pęknięciami do przenoszenia obciążeń. Liniowo sprężystą mechanikę pękania można stosować tylko do materiałów o względnie dużej wytrzymałości. Próby służące do wyznaczenia krytycznego rozwarcia wierzchołka pęknięcia δc lub całki J poszerzyły zastosowanie mechaniki pękania do warunków sprężysto-plastycznych, a zatem na materiały ciągliwe i umożliwiły stosowanie próbek o mniejszych wymiarach.

Pęknięcia propagują łatwo, gdy są ostre

Mechanizmy Pękania

• Plastyczne (jeden kawałek dużo odkształceń)

– Odkształcenie plastyczne

Pękanie kruche zachodzi pod działaniem naprężenia średniego mniejszego niż granica plastyczności, a odkształcenie plastyczne i absorpcja energii są bardzo małe. Takie pękanie następuje bardzo gwałtownie i prawie bez ostrzeżenia. Najbardziej kruchą postacią pękania jest pękanie łupliwe, które następuje przez zrywanie wiązań atomowych między określonymi

płaszczyznami krystalograficznymi. Żelazo pęka łupliwie po płaszczyznach {100}.

• Kruche (wiele kawałków małe odkształcenia

– Odkształcenie niewielkie lub brak odkształcenia

plastycznego

– Katastroficzne

Pękanie kruche jest charakterystyczne dla ceramik i szkieł. W tych materiałach, z względu na duże naprężenie

płynięcia plastycznego, niemożliwa jest relaksacja naprężenia na wierzchołku pęknięcia dzięki odkształceniu plastycznemu. Dlatego naprężenie rośnie do wartości odpowiadającej wytrzymałości teoretycznej ok. E/15, przy której następuje zrywanie wiązań między atomami i kruchy wzrost pęknięcia. Zwiększenie c prowadzi do wzrostu Kc = σ√(πc) co powoduje zwiększenie szybkości powiększania się pęknięcia aż do szybkości dźwięku. Materiały bardzo plastyczne, np. czyste: złoto, miedź, ołów pod działaniem siły rozciągającej najpierw wydłużają się równomiernie, a

następnie tworzy się przewężenie do pojedynczych atomów. Materiały krańcowo kruche - szkło lub Si pękają w niskiej temperaturze bez jakiegokolwiek odkształcenia plastycznego.