Оборудование и материалы

1. Образцы меди M1 (99,9% Cu).

2. Малогабаритные печи.

3. Пресс для пластического деформирования (Р = 30 000 Н).

4. Прибор для измерения твердости по Бринеллю.

Порядок выполнения работы

1. Измерить твердость образцов меди по Бринеллю в исходном отожженном состоянии. Среднее значение твердости (НВ) внести в таблицу.

Материал	Состояние		Твердость (HB), МПа
Медь М1 (99,9% Cu)	После отжига
	После ХПД
	После нагрева	100С
		300С
		500С

2. Произвести пластическое деформирование образцов при комнатной температуре с помощью пресса.

3. Измерить твердость всех образцов после деформирования.

4. Произвести нагрев каждого образца; температуры нагрева: 100, 300, 500°С; время выдержки образцов - 10 мин; охлаждение в воде.

5. Измерить твердость образцов.

6. Построить графическую зависимость твердости (НВ) от температуры нагрева.

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Таблица с данными.

3. График зависимости НВ от температуры нагрева.

4. Рисунок 2.

5. Анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит явление деформационного упрочнения (наклепа)?

2. Какова физическая причина деформационного упрочнения?

3. Как зависит уровень деформационного упрочнения от плотности дислокаций?

4. Как и почему пластическое деформирование влияет на уровень физико-химических свойств материала?

5. Каково влияние температуры нагрева на свойства пластически деформированных кристаллических материалов?

6. В чем заключаются структурные изменения, происходящие при нагреве деформированных материалов?

7. Каковы причины структурных изменений в процессе нагрева деформированных материалов?

8. Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации?

Литература

1. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. I,V.

2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение - М.: Машиностроение, 1986, гл.4.

3. Солнцев Ю.П. и др. Материаловедение. – М.: «МИСИС», 1999.

Часть 3. Ползучесть и долговечность

Цель работы: исследовать закономерности процессов деформации и разрушения материалов, находящихся под действием постоянного напряжения или нагрузки.

Содержание работы

В материалах, начиная с температур ~0,3Т_пл активно развивается процесс ползучести – увеличение пластической деформации во времени при постоянных условиях, в первую очередь, при постоянном напряжении и температуре. Особенно важно учитывать это явление для полимеров и некоторых стекол, так как ползучесть в них развивается уже при температуре 20^оС.

Как правило, при испытании на ползучесть (рис. 3, 4) регистрируют зависимость относительно деформации ползучести  от времени  при постоянной нагрузке Р или постоянном напряжении  в условиях неизменной температуры Т. В результате получают кривую ползучести (рис. 1), где а-б - участок «мгновенной» деформации; б-в - стадия неустановившейся ползучести с уменьшающейся скоростью; в-г - стадия стационарной ползучести с постоянной скоростью; г-д - стадия ускоренной ползучести, заканчивающейся в точке д разрывом образца.

Рис. 1. Участки кривой ползучести

Явление ползучести в разной степени свойственно большинству материалов. Скорость стационарной ползучести существенно зависит от условий испытания. Так, с ростом напряжения или с увеличением температуры скорость стационарной ползучести =d/dувеличивается (рис. 2).

Рис. 2. Кривая ползучести: а) Т - const,_>₂; б)  -const, T₁>T₂

Деформацию ползучести особенно важно учитывать в условиях высоких температур и длительного действия нагрузки.

В качестве характеристики сопротивления деформации ползучести используется условный предел ползучести _^Т – напряжение, которое вызывает определенную деформацию  в заданный промежуток времени при определенной температуре Т.

Зависимость ’ от и Т в широкой области значений Т достаточно хорошо описывается уравнением

 = ₀·exp( - (U_а - ·)/ (k ·T)),

где k - постоянная Больцмана; ₀ - постоянная, характеризующая частотный фактор (соответствует средней частоте колебаний атомов в решетке ~10¹³ Гц); U_а - энергия активации – энергия, которую надо сообщить системе для активации процесса ползучести;  - активационный объем ползучести, являющийся структурно чувствительным параметром.

Приведенное соотношение выполняется для термоактивируемых процессов, в которых решающее значение имеют термические флуктуации – отклонения величины кинетической энергии от среднего значения, существенно превышающие среднюю энергию тепловых колебаний атомов, соответствующую температуре Т.

Для кристаллических материалов на участке «мгновенной деформации» и стадии ползучести с затухающей скоростью происходит увеличение плотности дислокаций и растет их взаимное торможение. На стадии стационарной ползучести наблюдается динамическое равновесие, при котором суммарная плотность подвижных дислокаций и дислокационная структура практически не изменяются. При этом дислокации преодолевают препятствия с помощью термических флуктуаций. На стадии ускоренной ползучести происходит резкая локализация деформации с появлением местного сужения (шейки), где и происходит разрушение.

Ползучесть полимерных материалов имеет некоторые особенности, связанные со спецификой строения полимеров – наличием гибких макромолекул, относительно слабо взаимодействующих между собой. Кривая ползучести полимеров имеет участок упругой деформации, участок высокоэластичной, обратимой деформации (для неориентированных полимеров), и, наконец, стадию вязкотекучей, полностью необратимой деформации. На стадии высокоэластичной деформации происходит распрямление гибких макромолекул. На последней стадии основной вклад в деформацию вносит проскальзывание макромолекул относительно друг друга. Оба процесса являются термоактивируемыми.

Процесс разрушения твердых тел развивается во времени и стимулируется внешней нагрузкой. Продолжительность пребывания под нагрузкой до момента разрушения – долговечность  зависит от уровня действующего напряжения и температуры Т. В широком диапазоне  и T имеет место зависимость, известная как формула Журкова:

= ₀·exp( (U_а - ·)/ (k ·T)),

где ₀ - период тепловых колебаний атомов. Уровень разрушающего напряжения , соответствующий данной долговечности  при температуре испытаний Т, называют пределом длительной прочности _^Т.

Лабораторная работа включает в себя два варианта.