книги / Физика прочности и механические испытания металлов.-1

УДК 669.018.2(078) С 375

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Ю.Д. Щицын (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

д-р физ.-мат. наук, профессор Л.В. Спивак (Пермский государственный национальный исследовательский университет)

Симонов, Ю.Н.

С 375 Физика прочности и механические испытания металлов : курс лекций / Ю.Н. Симонов, М.Ю. Симонов. – Пермь : Издво Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 199 с.

ISBN 978-5-398-02349-7

Изложены закономерности протекания упругой и пластической деформации, основные механизмы упрочнения, рассмотрены основные положения механики разрушения и методы определения характеристик механических свойств металлических материалов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Металловедение и термическая обработка стали и высокопрочных сплавов»). Может быть полезно аспирантам, преподавателям и другим специалистам, работающим в области металловедения и термической обработки сталей и сплавов.

УДК 669.018.2(078)

2

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Физика прочности и механические испытания металлов» является одной из профильных дисциплин в курсе бакалаврской подготовки по направлению 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Металловедение и термическая обработка стали и высокопрочных сплавов»).

Кроме того, данный курс является одним из завершающих в цикле подготовки бакалавров, а потому опирается на знания, приобретенные студентами в предыдущие три года обучения.

Актуальность создания курса лекций по данной дисциплине связана с тем, что последним изданным пособием по этой теме является учебник для вузов В.С. Золоторевского «Механические свойства металлов», 3-е издание которого вышло в 1998 г., т.е. 20 лет назад.

В предлагаемом вниманию читателя курсе лекций сосредоточен опыт 30-летнего преподавания дисциплин «Механические свойства металлов» и «Физика прочности и механические испытания сталей и сплавов» студентам специальности «Металловедение и термическая обработка металлов» (МТО) Пермского национального исследовательского политехнического университета одним из авторов настоящего пособия.

Если вспомнить вид диаграммы растяжения, то выяснится, что она состоит из нескольких участков, а именно: участка упругой деформации, упруго-пластического перехода, участка пластической деформации, равномерной и сосредоточенной, а также точки разрыва, т.е. окончательного разрушения образца.

Предлагаемый вниманию читателя курс лекций по дисциплине «Физика прочности и механические испытания металлов» именно так и построен: вначале рассматривается напряженно-деформиро- ванное состояние, затем закономерности упругой деформации

иупруго-пластического перехода, далее пластическая деформация

имеханизмы упрочнения сталей и сплавов. Завершают курс лекции о различных видах разрушения: хрупком, вязком, усталостном, разрушении при ползучести и в условиях изнашивания.

4

Поскольку данный курс является одним из завершающих в цикле бакалаврской подготовки по направлению 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Металловедение и термическая обработка стали и высокопрочных сплавов»), в нем использованы знания, полученные студентами за предыдущие периоды обучения. В связи с этим перед изучением данного курса будет полезно освежить свои знания по таким дисциплинам, как «Сопротивление материалов», «Кристаллография», «Дефекты кристаллического строения металлов», «Теория термической обработки».

В рабочей программе дисциплины весь курс разбит на 2 части (2 модуля), первая из которых посвящена рассмотрению вопросов, связанных с упругой и пластической деформацией и механизмами упрочнения сталей и сплавов, а вторая – изучению закономерностей различных видов разрушения. В свою очередь, каждая часть разбита на темы. Всего в курсе 11 тем (6 тем в первом модуле и 5 во втором). Каждая тема предваряется перечнем вопросов, которые рассматриваются при изучении данной темы, а заканчивается контрольными вопросами и указанием основной литературы, в которой можно получить дополнительную информацию по данной теме.

Курс предназначен для бакалавров-металловедов, поэтому особое внимание уделено вопросам влияния структурных факторов на те или иные явления, связанные с деформацией, упрочнением и разрушением сталей и сплавов.

Самое большое внимание при создании данного курса лекций обращено на темы, которые авторы считают главными в этом курсе. Это темы, связанные с механизмами упрочнения сталей и сплавов (тема 5), а также с основными видами разрушения – вязким и хрупким разрушением и вязко-хрупким переходом (тема 7).

Преподавание данной дисциплины в ПНИПУ предусматривает цикл лабораторных работ (к ним изданы отдельные методические указания), в которых подробно рассматриваются вопросы, связанные с определением твердости, а также характеристик прочности и пластичности по результатам испытаний на растяжение. В связи с этим авторы сочли возможным не представлять этот материал в курсе лекций подробно и ограничиться общими указаниями. В то

5

же время более сложные вопросы, связанные с определением ударной вязкости, критической температуры хрупкости, вязкости разрушения и предела трещиностойкости, достаточно подробно освещены в пособии.

Безусловно, материал, представленный в данном курсе лекций, не является раз и навсегда заданной истиной, а представляет собой руководство к действию, базу, владение которой позволит успешно осваивать более сложные вопросы, связанные, например, с механическими свойствами металлических наноматериалов.

В заключение авторы выражают надежду, что данный курс лекций может оказаться полезным не только студентам-металловедам, но и студентам других направлений и специальностей, а также магистрантам и аспирантам.

6

МОДУЛЬ I. Упругость и пластичность металлов. Механизмы упрочнения. Теория и практика механических испытаний

Тема 1. НАПРЯЖЕННОЕ И ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ

Вопросы по теме

1.Понятие о напряжении. Касательные и нормальные, условные и истинные напряжения.

2.Напряженное состояние.

3.Коэффициент мягкости напряженного состояния.

4.Схемы напряженного состояния.

5.Деформации. Деформированное состояние.

6.Методы обнаружения и измерения деформаций. Тензометрия.

1.1.Силы и напряжения

Всостоянии равновесия, например при статическом нагружении, внешние силы уравновешиваются реакцией материала – силами межатомного взаимодействия. Эти внутренние силы и определяют уровень сопротивления материала деформации. Для количественной оценки сопротивления материала деформации при нагружении удобнее использовать не величину внутренних сил, а их интенсивность, или напряжение. Напряжение,подобноусилию(силе),являетсявекторнойвеличиной.

Рассмотрим стержень с площадью поперечного сечения F0, на который действует усилие, равное Р, ориентированное вдоль продольной оси стержня, т.е. перпендикулярно площадке F0 (рис. 1.1). В этом случае напряжение S0 будет равно отношению усилия к площади поперечного сечения:

7

угол α с направлением действия осевого усилия Р (рис. 1.2). Тогда площадь этой площадки Fα = F0/cosα. В этом случае усилие Р можно разложить на две составляющие: РS, которая ориентирована перпендикулярно (нормально) площадке, и Рt, которая лежит в плоскости площадки.

Рис. 1.2. Схемы для определения касательных и нормальных напряжений

Напряжение S, соответствующее составляющей РS, определяется как отношение РS к Fα:

S= PS = P cos2 α = S0 cos2 α.

Fα F0

Подобные напряжения, действующие по нормали к площадке,

называют нормальными напряжениями.

Другую составляющую напряжения t, соответствующую Рt, можно рассчитать как отношение Рt к Fα:

Такие напряжения, действующие в плоскости площадки или параллельно ей, называют касательными напряжениями.

Из анализа данных выражений следует, что максимальное нормальное напряжение Smax = S0 реализуется в том случае, если нормаль к площадке составляет с направлением действия усилия угол,

8

равный 0° (при α = 0° cosα = 1). Максимальное касательное напряжение tmax = 0,5·S0 наблюдается в том случае, если нормаль к площадке составляет с направлением действия усилия угол, равный 45°

растяжении максимальное касательное напряжение в 2 раза меньше максимального нормального напряжения:

Напряжения, которыми оперируют в механике, могут быть истинными и условными. Известно, что в процессе нагружения величина площадки, на которую действуют напряжения, меняется. Если эти изменения не учитывают, то напряжение рассчитывают как отношение нагрузки в данный момент времени Рi к исходной площади поперечного сечения:

σi = Pi .

F0

Такое напряжение называют условным. Если же усилие Рi относят к величине фактического сечения в данный момент времени Fi, то получают значение истинного напряжения:

Si = Pi . Fi

Физический смысл имеют только истинные напряжения, однако на практике часто более удобно пользоваться условными напряжениями. Это особенно оправданно при малых степенях деформации (в пределах упругого участка), когда изменение площади поперечного сечения невелико.

Истинные напряжения обычно обозначают латинскими буквами S (нормальные напряжения) и t (касательные напряжения). Условные напряжения принято обозначать греческими аналогами латинских букв σ (нормальные напряжения) и τ (касательные напряжения).

9

1.2. Напряженное состояние

Для оценки напряжений, создаваемых в материале действием внешней нагрузки (силы, усилия), необходимо знать величину и направление этой силы, а также величину площадки, на которую действует эта сила, и ее ориентацию к вектору силы.

Напряженное состояние в некоторой точке тела (и в любом сечении, проходящем через эту точку) считается определенным, если известны напряжения на трех взаимно перпендикулярных площадках в этой точке. Для описания напряженного состояния в точке используют разложение результирующих напряжений на трех гранях бесконечно малого параллелепипеда (куба) по трем координатным осям. Легко показать, что действие произвольно ориентированного вектора напряжения на какую-либо площадку эквивалентно действию одного нормального и двух касательных напряжений (рис. 1.3). Тогда действие трех напряжений можно представить как совокупность трех нормальных и шести касательных напряжений (рис. 1.4.).

Математически напряженное состояние в точке описывают с помощью тензора напряжений, включающего девять членов:

10