Материалдардың механикалық қасиеттері
Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі
Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті
Кафедра НТМ
ПРАКТИКАЛЫҚ
ЕСЕП
(пәннің атауы)
Тақырыбы: Материалдардың механикалық қасиеттері
Қабылдады:
Абдилдина М.М.
(баға) (оқытушының аты-жөні)
(қолы) (уақыты)
Орындаған:
Мырзагулова З.Н.;
Каратаев Д.М.;
Құдайберген А.А..
(студенттің аты-жөні)
Мет-17-2
(тобы)
(сынақ кітапшасының
шифрі,нұсқа)
Қарағанды 2018
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
Ж.Н.Атамбаев, О.А. Шарая, В. Ю. Куликов
МАТЕРИАЛДАРДЫҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
Университеттің Ғылыми кеңесі
Оқу құралы ретінде бекіткен
ҚАРАҒАНДЫ 2006
ӘОЖ 620.17÷539.3=512.122
КБЖ 303я7
М 55
Университеттің Редакциялық- баспалық кеңесі ұсынған
Пікір жазғандар:
Қарағанды мемлекеттік техникалық университетінің техника ғылымдары- ның
кандидаты, доцент Д.З.Мұхамедияров;
Ж.Әбішев атындағы Химия-металлургиялық институт зертханасының
меңгерушісі, техника ғылымдарының кандидаты З.Н.Тоқаев;
Қарағанды мемлекеттік техникалық университетінің Редакциялық-баспалық
кеңес мүшесі, техника ғылымдарының кандидаты, доцент Т.Ж.Жүкебаева
Атамбаев Ж.Н.
М55 Материалдардың механикалық қасиеттері: Оқу құралы \ Ж.Н.Атамбаев,
О.А.Шарая, В.ЮКуликов; Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті.-
Қарағанды: ҚарМТУ баспасы, 2006.- 79 б.
ISBN 9965-788-80-4
Оқу құралында жүктеудің әр түрлі жағдайлары мен температуралары
кезіндегі деформация және қирау үрдістері беріген. Құрам мен құрылымның
металдар мен материалдардың механикалық қасиеттеріне әсер ету заңдылықтары
баяндалған, материалдарды сынаудың негізгі әдістемелері сипатталған.
Оқу құралы Материалдардың механикалық қасиеттері пәні бойынша
050709Металлургия, 050710 Материалтану және жаңа материалдар техно-
логиясы мамандықтарының студенттріне арналған.
ӘОЖ 620.17÷539.3=512.122
КБЖ 303я7
ISBN 9965-788-80-4 © Қарағанды мемлекеттік
Техникалық университеті, 2006
Кіріспе
Материалдардың механикалық қасиеттері пәні 130140 Материалтану және
материалдар технологиясы қолдану салалары бойынша, 240240 Металтану және
металдарды термиялық өңдеу мамандықтарының студенттері үшін базалық пән
болып табылады. Оқу құралы Қазақстан Республикасының білім және ғылым
министрлігімен бекітілген Мемлекеттік стандарттар және типтік бағдарламамен
сәйкес құрылған.
Қазіргі кезеңдегі өндіріс механикалық қасиеттер және олардың
пайдалану кезіндегі тұрақтылығына қатаң талаптар қоюда. Сондықтан машиналар
бөлшектерінің, конструкциялар мен басқа да инженерлік ғимараттарға жұмыс
істеу кезінде олардың сенімділігін артыру үшін алдын-ала кешендік сынақтар
жүргізу керек. Металдан жасалған материалдардың сапасын, оның ішінде,
металдар мен қорытпалардың пайдалану процесінде (конструктивтік беріктігі)
және өңдеу кезінде (деформациялануға кедергісі және технологиялық
иілімділігі) күйлерін анықтайтын механикалық қасиеттерін жақсартуға баса
көңіл бөлінеді.
Осы пәннің мәні мен мақсаты - механикалық қасиеттер теориясы және
олардың практика жүзінде эксперименталдық анықтау жөнінде негізгі
түсініктерді қарастыру.
Осы пәнді оқу нәтижесінде студент міндеттері:
- кристалдық құрылу ақаулары, деформация және қирау процестері
туралы түсінік болуы керек;
- металдар мен қорытпалардың құрылымдық құрамының механикалық
қасиеттерге әсер ету заңдылықтарын білуі керек;
- механикалық сынақтар нәтижелерін анықтау және статистикалық
өңдеу жүргізе алуы керек;
- негізгі механикалық қасиеттерді анықтауда практикалық
дағдылануы керек;
1 ЖАЛПЫ ТҮСІНІКТЕР МЕН АНЫҚТАМАЛАР
Деформация – денедегі бөлшектердің орналасуының өзара орын ауыстыруы
және дене өлшемдері мен пішінінің ауысуы.
Серпімділік – дененің жүк түсіру нәтижесінде деформациялануы және жүк
түсіруді алып тастаған кезде оның бастапқы қалпына қайта келу қасиеті. Жүк
түсіруді алып тастаған кезде жоғалатын деформация бөлігі серпімді деп
аталады, ал қалған бөлігі – қалдық (пластикалық) деформация деп аталады.
Беріктік – материалдың түсірілген жүкке қирамай қарсы тұра алу
қабілеті.
Қаттылық – материалға басқа материалды енгізуге қарсы тұру қабілеті.
Қатаңдық – түсірілген жүк әсерінен материалдың майыспау қабілеті.
Тұтқырлық – пластикалық деформацияға ұшырау кезінде материалдардың
энергияны қайтымсызжұту қасиеті.
Морт сынғыштық – қатты денелердің механикалық әсер ету кезінде
айтарлықтай пластикалық деформациясыз қирау қабілеті.
Дислокациялар – атомдық қабаттардың тордағы реттелуін бұзатын үзілген
немесе сығылған түріндегі түзулік бұрмалануы. Олар бүйір және винттік
болады.
Статикалық жүктеу – деп бір рет түсірілетін бір қалыпты және нөлден
өзінің максимал нүктесіне дейін салыстырмалы баяу өсетін жүктеуді айтады.
Динамикалық жүктеу – деп бір рет түсірілетін материалға кенеттен және
нөлден максимал шамаға дейін үлкен жылдамдықпен әсер ететін жүктеуді
айтады.
Қайталама-айнымалы (циклдік) жүктеу – деп материалға бірнеше рет
түсірілетін жүктеуді айтады, бұл кезде жүктеу жылдамдығының өсуі мен түсуі
әр түрлі болуы мүмкін.
1.1 Кернеу. Кернеу тензоры
Көптеген механикалық қасиеттер кернеу шамасы арқылы сипатталады.
“Кернеу” деген түсінік жүк түсіру шамасын бағалау үшін енгізілген, ол
деформацияланатын дене өлшемдеріне тәуелсіз. Сөйтіп, кернеу салыстырмалы
шама болып табылады және мына қатынаспен анықталады:
;
мұндағы, S – F ауданындағы кернеу, ол үлгі осіне перпендикуляр және
оның бойымен Р күші әсер етеді (1,1 – сур.).
Дененің кез-келген қимасындағы кернеу шамасын анықтау үшін соңғысын
екіге бөледі, содан соң дененің бір бөлігін ойша алып тастайды да, оның
қалған бөлікке әсерін ішкі күштермен алмастырады.
СИ жүйесінде кернеу әрбір квадрат метрге кеткен ньютонмен беріледі
(Нм2,МНм2). Практика жүзінде көбінесе кернеудің өлшемділігін қолданады
(1 кгсмм2=9,8*106 Нм2).
а
б
1.1 сурет – Кернеуді анықтауға арналған схемалар
Жалпы жағдайда күш әсер ететін жазықтық ауданына перпендикуляр емес.
Сөйтіп, оны екі құраушыға жіктеуге болады: нормаль кернеу түзуші (ауданға
перпендикуляр) нормаль және аудан жазықтығында әсер ететін және жанама
кернеу тудырушы жанама. Механикалық сынақтарда осы кернеулерді анықтайды.
Беріктікке есептеу кезінде де осы кернеулерді пайдаланады. Деформация және
қирау кезіндегі кейбір процестер жанама кернеумен (пластикалық
деформация, кесу), басқалары – нормаль кернеумен (үзу) анықталады.
Нормаль кернеулерді созушы (қалыпты) және сығушы (теріс) деп бөледі.
Нақты тапсырмаларды шешу кезінде дененің кез-келген қимасында әсер
ететін кернеуді бағалай білу керек. Ол үшін кернеу тензоры деген түсінікті
пайдаланады.
Кернеу ықпалында болатын дене ішінде қашанда өлшемдері өте кіші
параллелепипед бөліп алуға болады, оның қабырғалары еркін таңдалып алынған
координата осьтеріне параллель (1.2-сур.). Жалпы жағдайда оның параллель
емес үш қырына нормаль және жанама деп бөлуге болатын өзара теңестірілген
кернеулер векторы әсер етеді. Нәтижесінде параллелепипед тоғыз кернеудің –
(Sx, Sy, Sz) үш нормаль және (txy, txz, tyx, tyz, tzy, tzx) алты жанама
кернеудің ықпалында болады. Осы кернеулер жиынтығын кернеу тензоры деп
атайды, олар былай жазылады:
1.2-сурет - Параллелепипед қырларына әсер
ететін өзара теңестірілген кернеулер
Таңдалынып алынған параллелепипед тепе-теңдікте болуы және айналмауы
үшін координаттық осьтерге қатысты моменттер теңдігі болуы керек. Сондықтан
txy=tyx, tzy=tyz, txz=tzx (жанама кернеулердің жұпталу заңы). Осыдан,
кернеу тензорында шындығында тоғыз емес, алты тәуелсіз кернеу болатынын
көруге болады. Олардың көмегімен кез-келген күрделі кернеулі күйді
сипаттауға болады. Тензор дененің берілген нүктесі арқылы өтетін таңдалып
алынған оське қатысты бағыттаушы косинустар (аудан арасындағы бұрыш
косинусы және оған сәйкес координата осі) белгілі болса, кез-келген
аудандағы нормаль және жанама кернеулер шамасын анықтауға мүмкіндік береді.
Басты аудандарға тек нормаль кернеулер ықпал ететін аудандар
жатқызылады, жанама кернеулер нөлге тең.
Әдетте, механикалық сынақтар кезінде кернеудің басты бағыттары алдын-
ала белгілі, оларды координаталық осьтер ретінде қабылдауға болады. Сонда
кернеу тензоры қарапайым күйге келеді және мынадай көріністе болады:
,
мұндағы S1, S2, S3,- сәйкесінше ең жоғарғы, орташа және ең кіші басты
нормаль кернеу.
Кез-келген кернеулі күйде ең жоғарғы жанама кернеу τmax басты оське
450-та орналасқан ауданда әсер етеді, ал олардың шамасы басты нормаль
кернеулердің сәйкес жарты айырымына тең:
.
1.2 Деформация. Деформация тензоры.
Кернеудің әсерінен барлық материалдар деформацияланады, яғни, пішіні
мен өлшемдері өзгереді. Механикалық сынақтар нәтижелері бойынша әр түрлі
серпімді, көбінесе, қалдық деформациялар сипаттамаларға баға береді.
Деформацияның келесі сипаттамалары кеңінен қолданылады: үлгілердің ұзаруы
(қысқару), жылжуы және жіңішкеруі (кеңею).
Әдетте, деформация нәтижесінде үлгі ұзындығының ұлғаюын салыстырмалы
ұзарумен сипаттайды:
мұндағы - шекті ұзындық;
- бастапқы ұзындық;
- абсолют ұзару (1.3-сур.).
шамасы шартты сипаттама болып табылады, себебі деформация ең
басынан бастап үздіксіз ауысып тұратын ұзындығы бойынша тарайды және
қатынасы физикалық мәнінен айырылған .
а) б)
3-сурет. Деформация кезіндегі ұзару (а) және жылжу (б)
Шынайы салыстырмалы ұзару мынаған тең:
Үлгінің ұзаруы мен қысқаруы нормаль кернеудің әсерінен болады. Жанама
кернеулер жылжу деформацияларын тудырады, олар (радиан) сырғу бұрышы
немесе салыстырмалы жылжу шамасы бойынша бағаланады (1.3-сур.).
Салыстырмалы ұзару мен сырғу (е мен g) иілімділік пен серпімділік
теорияларына қолданылатын деформацияның негізгі (фундаменталды)
сипаттамалары. Ұзару және сырғу жиынтығы – дефоррмация тензоры – кернеу
тензоры аналогы бойынша берілген нүктедегі кез-келген серпімді күйді
сипаттайды және кез-келген бағыттағы е шамасын, кез-келген жазықтықта g
шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Егер деформацияның басты үш бағыты
(сырғу шамалары нольге тең болса) алдын ала белгілі болса, оларды
координата осьтеріне орналастыруға болады, дефоррмация тензоры үш ұзару
жиынтығымен сипатталады:
,
мұндағы е1,е2, е3-сәйкесінше ең үлкен, орташа және ең кіші ұзару.
Деформацияның кеңінен қолданылатын үшінші сипаттамасына салыстырмалы
жіңішкеру Ψ жатқызылады:
,
мұндағы F0,Fk – сәйкесінше үлгінің бастапқы және соңғы көлденең қимасывның
ауданы;
, және араларында бірдей шамалы деформациялар
облысында функционалдық байланыс бар, яғни, әзірше пішіннің салыстырмалы
өзгеру шамасы мен үлгінің барлық жұмыс нүктелеріндегі өлшемдер алмасуы
бірдей. Бұл байланыс пластикалық деформация кезінде көлемнің тұрақтылығы
шарттарынан шығады:
.
Деформацияның бұданда басқа сипаттамалары қолданылады. Мысалы, июге
сынау кезінде деформация шамасын иілу жебесі, ал бұрауға сынауда бұралу
бұрышы бойынша бағалауға болады.
1.3 Я.Б Бридман бойынша механикалық сынақтар
кезінде деформацияланған және кернеуленген
күйдің схемалары.
Көбінесе механикалық сынақтар нәтижелері кернеуленген күй схемаларымен
анықталады, ол үлгіде жүктеу шартарымен беріледі. Бір ғана материал
кернеуленген күйдің әр түрлі схемасы бойынша сынақтан өткізілсе, беріктік
пен иілімділіктің тіптен ұқсамайтын сипаттамаларын беруі мүмкін. Мұндай
схеманың сегіз түрі бар (1.1-кесте).
1.1-кестеде келтірілген схемалар тек серпімді және тең шамалы
деформация облыстарына жарамды. Нақты сынақтар процесінде шоғырланған
пластикалық деформациядан кейін бұл схемалар біршама өзгеруі мүмкін.
Кернеуленген күйдің схемасы механикалық қасиеттерге, әсіресе сығу және созу
кернеулері қатынастары арқылы деформация (пластиналылық) сипаттамаларына
ықпалын тигізеді. Сығу кернеулері көп шамада созумен салыстырғанда
пластиналылықтың болуына бейімдейді(гидростатикалық сығу жағдайында қирау
тіптен болмайды). Сондықтан, неғұрлым, кернеулі күй схемасындағы сығушы
рөлі неғұрлым жоғары болса, ол соғұрлым, жұмсақдеп саналады, себебі оны
жүзеге асыру кезінде материалдың деформациялық қабілеті жоғары. Кернеулі
күй схемасы жұмсақтықты мөлшерлік бағалау үшін Я.Б.Бридман арнайы
жұмсақтық коэффициентін есептеуді ұсынды:
α=,
мұндағы, tmax –ең жоғаррғы жанама кернеу ;
Smax –неғұрлым келтірілген басты нормаль кернеу.
Беріктіктің екінші теориясы бойынша
Smax=S1- υ·(S2+S3),
мұндағы, υ –Пуассон коэффициенті.
Сонда
α=,
Металдардың көбісінде Пуассон коэффициенті шамамен бірдей, ол ≈0,25-ке
тең, ал шамасын мына теңдікпен есептеуге болады:
α=
қатынасының кернеулі күй схемасының “жұмсақтығын”
сипаттайтындығы мынаған келтіріледі. tmax шамасы пластикалық дефоррмауция
басының жеңілдігін, Smax – морт үзілуді анықтайды. Егер tmaxSmax болса,
онда үлгіге жүк түсіру кезінде моррт сынудан бұрын, пластикалық джеформация
басталып, морт үзілу алыстатылады. Егер tmaxSmax болса, онда қирау
пластикалық деформация пайда болғанға дейін болуы мүмкін. Неғұрлым, tmax
үлкен және Smax кіші болса, (яғни, α үлкен), пластикалық деформацияның
таралыуна ыңғайлы жағдай болады. Кернеулі күй схемасында сығу кернеулері
жоқ болған кезде үш осьтік созу кезінде α=0. Бұл схема ең жоғарғы
қатаңдықпен ерекшеленеді, яғни мұндай жағдайда материалдардың
деформациялану қабілеті ең төменгі шамада. Кейбір металдар мен қорытпалар
(сұр шойын, шыңдалған болат, интерметаллид) деформацияланады және α шамасы
ең төмен болған кезде кернеулі күйдің жұмсақ схемалары жағдайларында
қауіпсіз қызмет ете алады.
Шамасы әр түрлі сынақтарды салыстырмалы жұмсақтықты бағалау үшін α
пайдаланылуы мүмкін.
1.1-кесте-Кернеулі күйдің схемалары (Я.Б. Фридман бойынша)
Кенрнеулі күй Керенулі күй Кернеу тензоры Жүзеге асырук
схемасы схемалары
Түзулік Бір осьтік (S)= Үлгілерді
созу S10 кеспей созуға
сынау (мойынша
пайда болғанға
дейін)
Бір осьтік (S)= Сығуға сынау
сығу S30 (бүйір беттерде
үйкеліс
болмаған кезде)
Жазық Екі осьтік (S)= Енді үлгіні ию
созу S10, S20 (S1=4S2). Ішкі
қысым мен
осьтік созуға
ұшыраған жұқа
қабырғалы
цилиндр
Екі остьтік (S)= Бүйір беті
сығу S20, S30 бойынша
үлгілерді
сақина бойы
сығу (S3=S2)
Әр түрлі (S)= Цилиндр тәрізді
атаулы жазық S10, S30 өзекшені
кернеулі күй айналдыру
(S1=-S3)
Көлем-дік Үш осьтік (S)= Қыздырылған шар
созу S10, S20, S30 центрінде
гидрростатикалы
қ созу
(S3=S2=S1).
Цилиндрр
тәррізді үлгіні
кесумен созу
(центрлік
зоналарда,
мұндағы S1S2,
S2≈S3)
Үш осьтік (S)= Гидростатикалық
сығу S10, S20, S30 сығу.
Инденторды
қысып
қаттылыққа
сынау.
Көлем-дік Әр аттас (S)= Гидорстатикалық
көлемдік S10, S20, S30
кернеулі күй қысыммен
мойыншасы бар
үлгіні созу
1.2-кесте. Әр түрлі сынақтар кезіндегі α жұмсақтық коэффициенті
Сынақ түрі Басты нормаль кернеулер α
S1 S2 S3
Үш осьтік созу S S S 0
Бір осьтік созу S 0 0 0,5
Айналдыру S 0 -S 0,8
Бір осьтік сығу 0 0 -S 2
Үш осьтік сығу -S -(73)S-(73)S 4
1.4 Механикалық сынақтар түрлері мен сипаттамасы.
Үлгіге жүктеудің екі тәсілін пайдаланады: 1) оның деформациясын
белгілі жылдамдықпен беру және осы деформацияға үлгінің кедергі күшін өлшеу
жолымен; 2) үлгіге тұрақты жүк түсіре отырып.Осы кезде туындаған
деформацияны өлшеумен.
Үздіксіз өлшеу мүмкіндігін және дефоррмацияға үшгінің кедергі күшін
жазып тұруды қамтамасыз ететін бірінші тәсіл кеңірек тараған. Ол іс жүзінде
статикалық сынақтың барлық түрінде қолданылады.
Жүктеудің екінші тәсілін қолданудың маңызды мысалы – сырғанау және
ұзақ мерзімдік беріктікке сынау.
Уақыт бойынша жүк түсіруді өзгерту сипаты бойынша статикалық,
динамикалық және циклдік болып бөлінеді. Статикалық жүк түсіру салыстырмалы
баяу өсумен сипатталады, ол нөльден бастап біршама максимал шамаға дейін
өседі (әдетте, секундтан бірнеше минутқа дейін). Динамикалық жүктеу
кезінде бұл өсу өте қысқа уақыт аралығында жүреді (секундтың ішінде).
Циклдік жүктеулер бағыт бойынша немесе шамасының бірнеше мәрте өзгеруімен
сипатталады.
Ықпал ететін жүктеу сипатына байланысты статикалық, динамикалық және
циклдік сынақтарды айырады.
Статикалық сынақтар үлгіге келетін жүктеудің бір қалыпты салыстырмалы
баяу өзгеруімен және деформацияның төмен жылдамдығымен, сол сияқты
қозғалатын машина бөлшектерінің шапашаңдық шамасының төмендігімен
ерекшеленеді, бұл кезде инерция күштерін ескермеуге болады. Статикалық
сынақтар кезінде қарапайым статикалық тепе-теңдік әдісімен жеткілікті
дәлдікпен түсірілетін жүктеу және деформацияны, сонымен қатар сынақтың кез-
келген моментінде деформация жұмысы шамасын анықтауға болады.
Үлгіге түсірілетін жүктеме схемасымен ерекшеленетін статикалық
сынақтардың мына түлері неғұрлым маңыздырақ: бір осьтік созу, бір осьтік
сығу, ию, айналдыру.
Динамикалық сынақтар үлгіге күш түсіру шамасын тез арада өзгерту және
оның деформациясының үлкен шамада болуымен сипатталады. Динамикалық
жүктеуді үлгіге ауыр салмақпен еркін құлайтын соққымен іске асырады.
Нәтижесінде үлгінің біраз бөлігінде және сынақ машинасында біршама инерция
күштері өрбиді. Динамикалық сынақтар нәтижесінде динамикалық деформацияның
толық және салыстырмалы жұмысы шамасын, сол сияқты, үлгідегі қалдық
деформация шамасын анықтайды. Динамикалық сынақтарды көбінесе ию схемасы
бойынша жүргізеді.
Қажуға сынау жүргізу үшін үлгіге түсірілетін жүктеменің бірнеше мәрте
өзгерту тән. Мұндай сынақтар көп уақыт алады (сағаттар –жүздеген сағаттар).
Қажуға сынау нәтижелері бойынша әр түрлі кернеу шамаларында қирауға дейінгі
циклдер саны, ең соңында – үлгінің жүктеудің белгілі циклі саны аралығына
төзетіні анықталады. Қажу сынақтары кезінде жүктеудік әр түрлі схемаларын
қолданады: ию, созу, сығу, айналдыру.
Сынақ жүргізудің тағы да басқа екі үлкен айрықша тобы бар: Біріншісі
– қаттылыққа сынау, мұнда, деформацияға кедергінің немесе басқа денемен
(индентормен) әрекеттесу кезінде үлгінің беттік қабатының қирау
сипаттамалары бағаланады. Қаттылыққа сынаудың көп түрлері статикалық болып
табылады.
Екінші топ - сырғанағыштық және ұзақ мерзімді беріктік. Сынақтың бұл
түрлерін, әдетте, ыстыққа беріктік сипаттамаларын бағалау үшін жоғары
температураларда жүргізеді. Үлгілер барлық сынақ жүргізу кезінде тұрақты
кернеу ықпалында болады. Сырғанағыштыққа сынау кезінде үлгі әр түрлі
кернеуде болған кезде уақыт бойынша деформацияны анықтайды, ал ұзақ
мерзімдік беріктікке сынау нәтижесінде әр түрлі кернеу ықпалында қирауға
дейінгі уақыт бағаланады.
Сынақтар әр түрлі теріс шамалы өте төмен температуралардан басталып,
әр түрлі орталарда балқу температурасына дейінгі температуралар
аралықтарында өткізіледі.
Сынақтарды бірнеше мәрте қайталау кезінде нәтижелер тұрақтылығын
қамтамасыз ететін белгілі жағдайлар орындалуы керек. Бұл ережелердің
орындалуы әр түрлі уақытта, әр түрлі лабораторияда, әр түрлі құрал-
жабдықтарда жүргізілген сынақтар нәтижелерін сәйкестендіруге кепілдік беруі
керек. Мұндай тұрақтылықты және нәтижелер сәйкестігін қамтамасыз ету
шарттары механикалық сынақтар подобия шарттары деп аталады.
Ол үшін ұқсастықтың үш түрі орындалу керек:
1) геометриялық (үлгінің пішіні мен өлшемдері);
2) механикалық (жүк түсірудің схемасы және күйі);
3) физикалық (сыртқы физикалық жағдайлар).
Үлгінің пішіні мен өлшемдері дене пішіні мен жүк түсіру нүктелерінің
белгілі орналасуынан тәуелді кернеулі күй схемалары арқылы сынақ
нәтижелеріне әсер етеді.
Жалпы алғанда, механикалық подобиенің мәні үлгілердің жұмыс
бөлігіндегі үйлесетін қималарда тождественное кернеулі күй мен бірдей
салыстырмалы деформация болуында. Егер деформация жылдамдығын ескермесе,
онда механикалық подобия шарты, үлгіге түсірілген барлық сыртқы күштер
сәйкес бағытталған және сәйкес нүктелерде түсірілген болуы керек.
Деформация жылдамдығы жоғары болса, әр түрлі өлшемді үлгілерде механикалық
подобияны сақтау күрделенеді.
Сәйкес келетін нәтижелер алу және оларды дұрыс талдау үшін сынақтар
үшін дайындау әдістеменің маңызы зор. Әр жағдайға байланысты ол толық
баяндалуы керек. Бір материал оны жасап алу жағдайларына (құю кезіндегі
кристалдану жылдамдығы, прокаттау кезіндегі сығу дәрежесі, т.б.) байланысты
әр түрлі қасиеттерге ие болуы мүмкін. Сондықтан салыстырмалы мәліметтер алу
үшін қашан да үлгілер үшін дайындамалар өңдеу, оларды кез келген технология
(мысалы, станоктарда) бойынша дайындау кезінде режимдер
үйлесімділігі сақталуы керек.
Үлгіні дайындау тәсілі нәтижесінде бөлшекке сәйкес үйлесімді құрылым
түзілуі керек. Белгілі пішінді үлгілер дайындау кезінде дайындамаға
берілген металл қасиеттерін өзгертпейтіндей өңдеу әдісін таңдау керек.
Сондықтан үлгілерді дайындау процесінде үлгілерді бөлме температурасынан
жоғары температураға қыздыруға жол берілмеу керек, пластикалық
деформацияның (наклеп) және т.б. болмауы қамтылуы керек. Үлгілер беттерінің
сапасының жоғары болуының маңызы зор. Беттік ақаулар (сызаттар) кернеу
концентраты болып қызмет етеді де беріктік пен иілгіштік сипаттамаларын
төмендетеді.
2 МЕТАЛДАРДЫҢ СЕРПІМДІЛІК ҚАСИЕТТЕРІ
2.1 Гук заңы және серпімділік қасиеттер константасы.
Юнг модулі, сырғу модулі және Пуассон коэффициенті.
Серпімділік деформациясы кезеңін үлгілер механикалық сынақтардың
барлық түрлерінде өтеді.
Металдардың серпімділік деформациясы кезіндегі күйін Гук заңында
баяндалған, онда кернеу мен серпімді деформация арасындағы тура
пропорционалдық анықталады. 2.1-суретте бір осьті созу, айналдыру және
гидростатикалық сығу кезіндегі кернеу – деформация қисығында (серпімді)
участкелер берілген.
2.1-сурет-Кернеу-деформация серпімді учаскелері
Осы үш қисықтың әр қайсысының қиғаштануы, яғни кернеу мен
деформацияны байланыстыратын пропоруионалдық коэффициенті серпімділік
модулін сипаттайды:
E=Se; G=tg; K=Pχ
Созу кезінде анықталатын Е модулі қалыпты (нормальный) серпімділік модулі
немесе Юнг модулі деп аталады. G модулі - сырғу модулі (жанама
серпімділікке қатысты), К- көлемдік серпімділік модулі (Р-гидростатикалдық
қысым, χ- көлемнің кішіреюі). Серпімділік модулі материалдың қатаңдығын,
яғни серпімділік деформациясы шамасы бойынша кернеудің қарқындылығының
ұлғаюын анықтайды.
Металдардың серпімді деформациясы механизмі кристалдық торда
атомдардың қайтымды араласып тепе-теңдңк күйге күйіне келуінде. Әр атомның
орын ауыстыру шамасы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым, жалпы үлгінің
серпімділік макродеформациясы үлкен болады. металдардың бұл серпімді
деформациясы шамасы үлкен болмайды (әдетте, серпімділік облысындағы
салыстырмалы ұзару бір пайыздан төмен), себебі кристалдық тор атомдарының
атом аралық орын ауыстыруы атом аралық ара қашықтықтың өте төмен үлгесінде.
Серпімділік модульдерінің мәні де осы металл құраушысы болып табылатын
атомдардың деформацияға кедергісімен, яғни тордағы атомдардың тепе-теңдік
күйден атомдардың ауысуымен сипатталады. Мысалы, е шамасы әр түрлі екі
металды (2.1,а-сур., 1, 2-түзулер) салыстырса, атомдар бірдей орын ауыстыру
үшін е үлкен шамалы болған жағдайда үлкен кернеу қажет болады (2-түзу).
Кернеулі күйдің күрделі сземаларында деформация бағыты бойынша кернеуен
сәйкес келмеуі мүмкін. Кез келген бағытта кернеулер мен деформациялар
арасындағы түзулік байланысты бекітетін изотропты дене үшін Гук заңы:
ex=1E[Sx-υ(Sy+Sz)];
ey=1E[Sy-υ(Sx+Sz)];
ez=1E[Sz-υ(Sx+Sy)];
gxy=txyG;
gxz=txzG;
gyz=tyzG;
мұндағы υ – көлденең салыстырмалы деформацияның бойлыққа қатынасын
сипаттайтын бір осьті созу (сығу) кезіндегі бойлық деформацияға Пуассон
коэффициенті.
Пуассон коэффициенті υ –серпімділік модульдерінен кейін серпімділік
қасиеттердің төртінші маңызды константасы. Бұл төрт константа өзара
байланысқан:
E=2·G·(1+υ);
E=3·K·(1-2·υ).
Олардың екеуін біле отырып, қалғандарын есептеп алуға болады.
Гуктың жалпыландырылған заңы изотропты дене үшін салыстырмалы
қарпапайым түрде жазылады. Металдарда кристалдық құрылым бар және олар
анизатропты дене болып табылады. Көрші атоамдар аралықтарындағы қашықтық
неғұрлым, төмен болса, берлілген бағыттағы серпімділік модулі, соғұрлым
жоғары болуы керек. Анизатропты дене үшін Гук заңы біршама күрделенеді: ол
деформация тензорының әрбір компоненті мен кернеу тензорының барлық алты
тәуелсіз компоненттері арасындағы тура пропорционалдықты көрсетеді.
Серпімділік модулі атом аралық байланыс беріктігінің маңызыды
сипаттамасы болып табылады. Оның шамасы атом аралық өзара қатынасты
анықтайтын барлық факторларға тәуелді температураның жоғарылауымен
серпімділік модулі төмендейді. Металдарды легірлеу кезінде қатты
ерітінділер түзетін элементтердің серпімділік модулі түзулік алмасады,оның
өсуі де, төмендеуі де мүмкін.
2.2 Серпімділік қасиеттерді анықтау әдістері: резонанстық, импульстік.
Серпімділік қасиеттердің кейбір константаларын стнадартты статикалық
сынақтар көмегімен анықтауға болады. Созуға сынау нәтижесінде Е-ні,
айналдыру кезінде G-ді бағалайды. Көбінесе жоғары дәлдігімен ерекшеленетін
арнайы динамикалық әдістерді пайдаланумен серпімділік модульдерін, ал
Пуассон коэффициенттерін серпімділ-кернеулі үлгі бойы және деформация
бағытына көлденең тор периодын анықтай отырып, рентгеноқұрылымдық талдау
нәтижелері бойынша табады.
Әсіресе, G сырғу модулін және Е нормаль серпімділік модулін
анықтаудың динамикалық әдістері жақсы әзірленген. Барлық динамикалық
әдістер зерттелетін үлгінің тербеліс жиілігі (резонанс әдістері) немесе
ондағы дыбыс жылдамдығы (импільстік әдістер) серрпімділік константаларына
тәуелділігіне базаланады.
Резонанстық әдістерді қолдану кезінде өзекше түріндегі үлгі бойлық
немесе көлденең толқындармен меншікті жиілігінің біреуіне дейін қозады. Бұл
тоқындардың ұзындықтары үлгі радиусынан біршама үлкен болуы керек.
Сонда мәжбүрлі тербеліспен үлгінің меншікті жиілігі сәйкес келуі
сәтінде онда тік толқын түзіледі. Е модулі резонанстық жиілікпен
мынадай қатынаспен байланысқан (ұзын өзекше үшін)
Е = 4·ρ·l·ωрез·Δ,
мұндағы ρ – үлгі материалының тығыздығы;
l – үлгінің ұзындығы;
Δ –былайша анықталатын Δ = 1 + коэффициент;
r – үлгінің радиусы;
v –Пуассон коэффициенті.
Үлгілердегі механикалық тербеліс жиіліктері 102-105 Гц шамасында
қозуы әр түрлі тәсілдермен өткізілуі мүмкін. Тербеліс жиілігін, оның
ішінде, резонанстық тербеліс жиілігін осциллограф көмегімен анықтауға
болады.
G сырғу модулін анықтау үшін айналу маятнигі қолданылады. Оның
тербеліс жиілігі G модулімен байланысты:
ω = ,
мұндағы r – үлгі радиусы;
l – оның ұзындығы;
I – жүктің инерция моменті.
Сырғу модулін эксперименталдық түрде анықтауды ішкі үйкелісті анықтау
қондырғыларында да жүргізеді.
Импульстік әдістерде серпімділік константасын анықтауда мегагерц реті
жиілігін пайдаланады. Бұл әдістеррді қолдану дыбыс жылдамдығының (υ)
таралатын орта серпімділігі константасына қатынасына негізделген:
υпрод = ,
υпопер = .
Сөйтіп, үлгідегі бойлық және көлденең дыбыс толқындарының таралу
жылдамдығын анықтай отырып, үлгі материалының серпімділік модулін табуға
болады. Ультрадыбыстық импульстерді беру үшін ультрадыбыстық
генераторларды, ал υпрод және υпопер – электрондық осциллогррафпен
күшейткіштер арқылы байланысқан кварц пьезокристалын қолданады.
2.3 Металдардың шала серпімділігі. Баушингер эффекті.
Серпімділік әсері. Ішкі үйкеліс.
Металдар мен қорытпалардың серпімділк деформациясы облысында таза
серпімділік жағдайдан ауытқулар байқалады.
Металдардың шала серпімділігінің белгілі құбылыстарының бірі Баушингер
эффекті болып табылады. Оның мәні мынада: плстикалық әлсіз деформацияланған
үлгіні қайталап жүктеу кезінде кері бағытта кіші пластикалық деформацияға
кедергісі төмендейді. Үлгіні 1...2 %-ке создық делік (2.2-сур., а нүктесіне
дейін). Енді жүктемені аламыз да үлгіні сығуға ұшыртамыз. Кернеу-деформация
(0ес) қисық сызығы сәйкес 0b қисық сызығынан төменде жатады. Қайталап
созу кезінде, егер b пластикалық деформацияның басталуына сәйкес келсе,
онда бұл кесінді (отрезок) Баушингер эффекінің негізгі мөлшерлік
сипаттамларының бірі болып табылады да Баушингер деформациясы д.а.
Бұл эффектіні анықтайтын процесс бастапқы созу кезінде әр түрлі
көздермен порожденный дислокацияның кері қозғалысынан тұрады. Деформацияның
бастапқы кезеңінде баяу өсетін генерацияланған қисық сызықтар саны
дислокациялық салыстырмалы түрде, әжептәуір ара қашықтықта барьерде
тоқтағанша тез қозғалады. өрбіген дислокациялық құрылым тұрақты және жүкті
алып тастау нәтижесінде аз шамада өзгереді. Сондықтан қайталап созу кезінде
деформациялануға кедергісі біріз шамаға дейін өседі немесе бастапқымен
салыстырғанда мүлдем өзгермейді. Дислокацияның кернеу белгісін өзгерткен
кезде көз бағытына кері бағытталуға тура келеді. Дислокацияның орын
ауыстыруы нәтижесінде қосымша баушингер деформациясы пайда болады.
Біраз шамада алдын-ала деформация жүргізілгеннен кейін қайта жүк
түсіру кезінде дислокацияның қайта таралуы қиындайды және баушингер
деформациясы нольге жақындайды.
Циклдік жүк түсіру жағдайларында сынақтар жүргізу және эксплуатациялау
кезінде баушингер эффектінің маңызы зор.
Металдардың шала серпімділігінің байқалуына серпімділіктің әсері
жатқызылады. Онда металдың барлық кері деформациясы таза серпімді
болатындығы айтылған. Үлгіні алып кернеу-деформация қисық сызығымен
серпімділік учаскесінде кенрнеу тудырамыз [1].
2.2-сурет-Баушингер эффектінің схемасы 2.3-сурет-Серпімді әсер схемасы
Жүкті алып тастаған кезде мұндай үлгінің өлшемдері жүк түсіргенге
дейінгі өлшемдеріндей болып қала береді. Бірақ, кернеу түсіру әсері және
алып тастағаннан кейінгі оның ұзаруын уақыт бойынша өзгеруін қарастырамыз.
Оған сәйкес диаграмма 2.3-суретте келтірілген. Шындығында, үлгіміздің таза
серпімді деформациялануы тек ОС шамасына дейін, ал содан кейін
параболатыққа жақынырақ заң бойынша әжептәуір баяу созылады. Жүкті алып
тастағаннан кейін К нүктесінде өте тез арада таза серпімді деформацияны
алып тастау жүреді (КМОС), содан кейін, қалған деформация салыстырмалы
түрде баяу алынады. Ең соңында, (N нүктесінде), үлгінің бастапқы
өлшемдері бар, бірақ, кері қайтып келген деформацияның барлығы бірдей
серпімді болмайды.
Серпіміділік механизм әсері нүктелік ақаулардың орын ауыстыруымен
байланысты болуы мүмкін, мысалы, к.ц.к торлы металдарда ену қоспалары
атомдары. Кернеудің әсерінен қоспалық атомдардың қайта таралуы баяу жүреді,
олар тордың ең аз шамада бұрмалануын тудыратын жүк түсіру осінің бойындағы
қабырғаларда торап арқылы орын алуға тысысады. Нәтижесінде тор және барлық
үлгі жүк түсіру әсерінің бағытында бойлық созылады. Бұл кенет
жүргізілмейді.
Серпімді әсер жылдамдығы мен шамасы материал құрылымы мен оны сынау
жағдайларына байланысты. Мысаыл, жылдамдықтың көтерілуі серпімділік
әсерінің жылдамдығын кенет жоғарылатады (цинкте температураны 150-қа
көтергенде -50%-ке).
Серпімді емес эфектілер металл ішіндегі қайтып келмейтін энергия
шығынын сипаттайтын ішкі үйкелістің себепкері болып табылады. Кернеу-
деформация диаграммаларындағы қисық сызықтар жүк түсіру және жүкті алып
тастау кезінде металдардың шала серпімділігі салдарынан сәйкес келмейді
(2.4-сур.), гистерезис қисық сызығы түзеді. Оның көлемі жүк түсірудің бір
цикліне таралған энергияны сипаттайды.
Ішкі үйкеліс шамасын білу белгілі жағдайларда жұмыс істейтін
материалды дұрыс таңдау үшін қажет. Мысалы, амортизаторларға арналған
демпфирленетін материалдардың ішкі үйкелісі жоғары болуы керек. Керісінше,
өлшеу аспаптарының көптеген бөлшектері төменгі инерциондық пен өлшеудің
жоғары дәлдігін қамтамасыз ету үшін, серпімді энергияны таратпауы керек
2.4-сурет - Серпімді емес құбылыс нәтижесінде гистерезис қисық
сызығының түзілуі.
Ішкі үйкеліс шамасын экспериментті бағалау үшін жүктеу және жүкті
алып тастау кезіндегні кернеу мен деформация арасындағы байланысты білу
керек (2.4-сурет). Практика жүзінде жүктеуді периодты түрде өзгерту арқылы
динамикалық әдісті қолданады. Мысалы, синусойдтық заң бойынша. Жүктеуді
осылайша өзгертуге деформацияның периодтық өзгеруі де сәйкес келеді, бірақ,
деформацияның серпімсіздік құбылысы үшін фаза бойынша кернеуден
бұрышына шегіндеп қалу керек. шамасы – тербеліс энергиясының
таралу сипатының, яғни ішкі үйкеліс сипаттамасының бірі. Басқа сипаттаманы
қисық сызығы ауданын бағалау арқылы алуға болады. Бұл аудан бір циклдегі
знергия тербелісінің шығын шамасына тең. Ішкі үйкеліс шамасы ретінде
алады, мұндағы, - деформацияның толық энергиясы.
Тағы да бір сипаттама - тербеліс амплитудасының өшудің
логорифмдік декременті. Ол терделістегі ұлгінің алдыңғы максимал ауытқуының
натурал логориифмінің келесіге қатынасына тең.
tgφ≈γπ≈ΔW2πW=Q-1,
мұндағыQ-1 – Ішкі үйкелістің кеңінен қолданылатын белгіленуі.
Ішкі үйкелісті зерттеудің эксперименталдық әдістерінің ішінде кеңінен
тарағаны – айналу маятнигі әдісі. Түзу айналу маятнигінде үлгі серіппелі
ілінген сым немесе лента тәріздес болады, оның төменгі шетіне айналу
тербелісін 1 Гц-ке дейін төмендететін инерциялық масса бекітіледі. Ол айна
маятнигінде бекітілген айнадан шағылаған жарық бейнесінің орын ауыстыруын
байқай отырып, тербелістерді көзбен көру арқылы тіркеуге мүмкіндік береді.
Түзу маятниктегі инерциондық масса үлгіде әжептәуір созу кернеуін тудыруы
мүмкін, бұдан тәжірибелер нәтижелері бұрмаланады. Мұндай жағдайда басқа
конструкциялы – аударылған айналдыру маятнигін қолданады. Мұнда үлгінің
төменгі шеті қозғалмайтын етіп бекітіледі, ал инерциондық масса жоғарғы
шетіне бекітіледі де өшуі аз матеиалмен ұстатылады.
Айналу маятнигінің ішкі үйкелісін схема бойынша өлшеуге арналған
эксперименталдық қондырғылар – күрделі құрылғылар. Бұл қондырғылардың схема-
блогына мына негізгі элементтер кіреді: 1) айналу маятнигі; 2) механикалық
коррекция жүйесі; 3) демпфирлеуші құрылғы; 4) қоздыру және тіркеу жүйесі;
5) инерция моментін өзгерту жүйесі; 6) температураны реттеу және өлшеу
жүйесі; 7) вакуумдық жүйе.
Қарастырылған серпімсіздік (неупругость) сипаттамалары және
серпіміділік қасиеттер константаларының маңыздылығы, реалдық эксплуатацялау
жағдайларында әр түрлі конструкциялардағы көптеген материалдардың
платикалық деформацияға жіберілмей, серпімділік жағдайларда жұмыс
істейтіндігі. Дегенмен, стандартты механикалық қасиеттердің көбісінде
платикалық деформация кедергісі немесе осы деформацияның рұқсат етілген
шамасы сипатталады. Серпімділік және серпімділік емес қасиеттернегізінен
металлофизикалық зерттеулерде, әсіресе, пластикалық деформация кезеңінде
талдаулар жүргізу үшін анықталады.
3 ПЛАСТИНАЛЫҚ ДЕФОРМАЦИЯ
3.1 Пластикалық деформация механизмдері.
Пластикалық деформация механизміндегі дислокацияның ролі.
Пластикалық деформация атомдардың коллективтік қайтымсыз орын
ауыстыруының нәтижесі болып табылады. Кристалдарда бұл орын ауыстырулар
пластикалық деформацияның атомдық механизмі болып табылатын
дислокациялардың қозғалысы жолымен жүргізіледі. Дислокация қозғалысы
үлгінің макропластикалық деформациясын келтіруі мүмкін, ол сырғанау немесе
қосарлану жолымен жүргізіледі. Бұл қозғалыстың соңы кристалдың бөлек
бөлшектерінің бірі-бірімен салыстырмалы сырғуы немесе сырғу бағытына қарай
бұрыштап үлгінің бөлек учаскелерінде атомдық қатардың бұрылуы немесе жылжуы
болып табылады.
Көп жағдайда металдар мен қорытпалар сырғанау жолымен
деформацияланады. Элементар күйде кристалдың бір бөлігінің сырғу механизмін
басқасына салыстырмалы түрде, кристалл еніне тең дислокацияның оның үстінен
жүріп өтудің нәтижесі деп алуға болады (3.1-сур.). Қозғалатын дисокация
мөлшері неғұрлым үлкен және оардың суммалық орын ауыстыру жолы ұзынырақ
болса, момнопластикалық деформация шамасы соғұрлым үлкен.
а- кристалдағы бүйір дислокация; б-тордағы дислокация бір атом
аралық ара қашықтыққа орын ауыстырған;
в-дислокацияның бетке шығуы және сырғудың пайда болуы
3.1-сурет- Жоғарғы жарты бөліктің төменгімен салыстырғанда бүйір
дислокацияның жүріп өтуі нәтижесіндегі сырғанау схемасы
Салыстырмалы сырғу g шамасы мынаған тең:
g=ρ·b·l,
мұндағы, ρ – дислокация тығыздығы;
b –Бюргерс векторы;
l – жақты (краевой) дислокацияның зырғанау ұзындығы.
Бюргерс векторы – мера искажений решётки, обусловленных присутствием
дислокаций.
Реалды металдар мен қорытпаларда деформация басталғанға дейін әр
түрлі типті көптеген дислокациялар болады. берілген кернеудің әсерінен
жаңа дислокация түзетін олардың әр түрлі көздері жұмыс істей бастайды.
Қозғалыстағы дислокациялар үлгінің бетіне шығады оның ішінде бір-бірімен
әрекеттеседі: реакцияға түседі, тежеледі, айқасулар түзеді. Платикалық
деформация материалдың құрылымымен, құрамымен және оны деформациялау
шарттарына байланысты. Пластикалық деформацияны эксперименталды түрде екі
әдіспен талдайды: 1) беті полирленген микроскопиялық талдау, деформация
нәтижесінжде ерекше сырғанау түзулер және сырғанау жолақтары пайда
болады; 2) дифракциондық электрондық микроскопия әдісі, деформацияланған
үлгілерден кесіліп алынған жұқа фольгаларды пайдалану арқылы.
Сырғанау түзулері – дислокацияның шығуы нәтижесінде үлгі бетінде
түзілген сатылар. Мысалы, жақтық (краевая) дислокация кристалл қырына
шыққан кезде, осы қырдың бетінде саты түзіледі, ол биіктігі бойынша Бюргерс
дислокациясывекторына h тең. Бұл кезде стаылар, яғни, сырғанау түзулері
жақтық (краевой) дислокация бетіне шыққан ұзындыққа тең болады (9-сурет).
Бір ұшымен жалпақ бетке шыққан винттік дислокация өзінің қозғалысы кезінде
дислокацияның жүрісі ұзындығына тең болатын саты түзеді. Бір жазықтықта
сырғудан кейін бірнеше дислокация шыққан кезде h саты биіктігі ~10 A және
одан жоғары, оларды электрондық микроскопиялық талдау кезінде алдын ала
полирленген бетті деформацияланғанүлгі репликасында байқауға болады.
Реплика – электрондар үшін жұқа, жылтыр пленка (мысалы, бұрыштық). Ол үлгі
бетіне жағылған және өте жұқа көшірілетін оның рельефі. Электрондар шоғырын
түсірген кезде қалыңдықтарымен ерекшеленетін репликаның әр түрлі учаскелері
контрасттың әр түрлі бейнесін береді, осыдан, сырғанау түзулерін байқауға
болады. біраз деформациядан кейін сатылар биіктігінің үлкенболатындығы
соншалық, оларды жарық микроскопының көмегімен де көруге болады.
Сырғанау түзулерінің орналасуын, олардың арақашықтықтарын,
биіктіктерін талдай отырып, пластикалық деформация туралы сапалық, сол
сияқты, мөлшерлі (количественный) талдау жасауға болады. талданатын үлгі
бетінің кристаллографиялық болжамын (ориентировка) біле отырып, түзудің
сырғанау бағыты бойынша, сырғанау жазықтықтығы мен бағытын анықтайды.
Деформация алдында үлгі бетінен сырғанау түзуінің таралу бейнесін исказить
етуге қабілетті тотықтырғыш пленкадан тазартылуы керек.
Дифракциондық электрондық микроскопия әдісі бөлек дислокацияларды
байқауға, оларды Бюргерс векторын және кристаллографиялық сырғыуын
анықтауға, әр түрлі деформациялану кезеңінде дислокациялық құрылым
сипаттамаларын бағалауға мүмкіндік береді.
3.2-сурет- Бетке бүйір дислокациялар шығуы кезіндегі сатылардың түзілуі
Сырғанау түзу әдісі, әсіресе жарық микроскопын пайдаланғанда қарапайым
әдіс болып табылады. Ол әдістің көмегімен тек беттің кұрылымын талдап
тексереді. Сол сияқты осы әдістің көмегімен төменгі температурада
кристалдардағы сырғу мен сырғанау кристаллографиялық жазықтықтар мен
бағыттардың әрбір торлы түрі үшін белгілі бойлықпен жүретіні анықталады.
Сырғанау бағыты қашан да өзінің сырғанау жазықтығында жатады. Олардың
жиынтықты сырғанау жүйесі болады. Металдарда бір уақыт ішінде бір немесе
бірнеше сырғанау жүйесі болуы мүмкін, алайда бұл жүйелердің барлығы, әрбір
металл және белгілі тор түрі үшін сипатталатын бір-екі кристаллографиялық
бағдарға жатқызылады.
Қосарланып деформациялану сырғу қандай да себептерден қиындаған кезд
болады. Көбінесе, қосарлану төменгі температурада және жоғары жылдамдықты
деформация кезінде, әсіресе ҚЦК және КЦК торлы кристалдарда байқалады. Таза
ҚЦК торлы металдарда қосарланып дефомациялану теріс температура және жоғары
жылдамдықты деформация кезінде жүреді.
Созу кезінде үлгіні макро алыстату схемасы 3.3-суретте келтірілген.
Мұнда қосарлану кезінде кристалдың бір бөлшегінің сырғуы екіншісіне
салыстырмалы түрде белгілі жазықтық пен қосарлану бағыты юойымен жүреді.
Қосарлану жазықтығы деп бастапқы кристалмен салыстырғанда қосарланудың
түзілу симметриясы жазықтығы болып табылатын кіші индексті
кристаллографиялық жазықтықты айтады.
Жарық және электрондық микроскоптарда металлографиялық зерттеу кезіңде
деформацияның әрбір қоспағы екі параллель жолақ түрінде көрінеді (сынық,
шлиф немесе оның айқасу іздері). Деформациялар қоспағы жолақтарың енінің
өте кішілігімен ерекшеленеді (әсіресе, КЦК металдарда 5 мкм-ден төмен) және
шеттерінде жіңішкеруге бейім. Поликристалдарда қоспақтар кейде ешқашан бір
кристалдан екіншісіне ауыспайды. Әдетте олар дәнекше ішінде аяқталады, ал
егер шекараға дейін жетсе, онда осы түйіскен жердегі пайда болған кернеулер
басқа бағдарда болатын көрші дәнекше қоспақтың пайда болуына әкеледі.
Қоспақ шекарасы жоғары температуралық күйдіруден кейін де жоғарғы
тұрақтылықты сақтай отырып салыстырмалы төменгі энергияға ие болады.
3.3-сурет-Қосарланып пластикалық деформациялану схемасы
Орама ақауының энергиясы неғұрлым аз болса, тор түрлері бірдей қандай
да металда қоспақтардың түзілу ықтималдығы жоғары болады.
Қоспақтардың өсуіне қажетті кернеулер көбінесе сығанау үшін кажетті
кернеулерден жоғары болады. Сондықтан тек қосарланып деформациялану сирек
байқалады. Әдетте ол сырғанау жолымен, одан әрі сырғанау қиындаса,
кернеудің белгілі деңгейіне жетумен басталады. Керісінше, егер базистік
сырғанау үшін қолайсыз бағдарланса, оның деформациясы қосарланудан
басталады. Бұл кезде сырғанау жазықтықтарының бағдары әрі қарай деформация
сырғанаумен жүргізілетіндей болып ауысуы мүмкін.
Әдетте қосарлану соншалық қалдық деформацияның болуына әкеп соқпайды.
Сондықтан тек қосарлану жолымен деформацияланатын металдардың (мысалы,
висмут, сурьма) пластиналылығы төмен.
Кейбір факторлардың сырғанаумен пластикалық деформациялану бейнесіне
әсерін қарастырамыз. Орама ақауы энергиясының ұлғаюы дислокация ыдырауын
қиындатады, бөлшек ддислокациялары араларындағы орама ақауының жолақтарының
енін кішірейтеді. Бұл винттік дислокацияның көлденең сырғанауын
жеңілдетеді. Орама ақауының энергиясы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым
көлденең сырғанаудың қарқынды жүруі ертерек басталады да, дислокациялар әр
түрлі кедергілерден тез өтеді.
Нәтижесінде пластикалық ағын негізінен көлденең сырғанау қарқынды
жүргізілген жағдайда іске асырылады. Орама ақауының жоғары энериясы Al (ҚЦК-
торлы) және КЦК-торлы (Cu, Fg, Au) металдарда болады (3.1-кесте).
Металл құрылымынан басқа (металл түрі, ақау жолағыны ені, моно немесе
поликристалл) пластикалық деформация бейнесіне деформация жүргізілетін
жағдайлар үлкен әсер етеді.
3.1-кесте-γ таза металдардың орама энергиясы шамасы
Кристалдық торМеталл γ, эргсм2 Кристалдық тор Металл γ, эргсм2
түрі 1 эргсм2= түрі 1 эргсм2=
=1МДжм2 =1 МДжм2
Қ. ц. к. Ag 10...40 Г. Т. о. Zn 30...150
Au 20...60 Mg 170...250
Pb 20...50 Re 180
Cu 30...150
Pt 95...120
Ni 150...450
Al 250
К. ц. к. V 100
Ta 110
α-Fe 140
Cr 300
Mo 300
W 300
3.2 Металдарды деформациялық беріктендіру
Үлгі деформациясы үздіксіз жалғастыру үшін оған әсер ететін кернеуді
тұрақты түрде өсіріп отыру керек. Осы құбылыс деформациялық беріктендіру
деп аталады. Ол тек пластикалық деформация жүрісінде ғана байқалады.
Бастапқы суық деформациядан кейін материалдың беріктік сипаттамалары
(наклеп) артады. Деформациялық беріктендіру дислокацияның тежелеуімен
негізделеді. Материалдағы дислокацияның орын ауыстыруы неғұрлым қиын болса,
деформациялық беріктендіру коэффиценті (модулі) соғұрлым жоғары –
деформация бойынша кернеудың туындысы. Сынақ жүргізу процесінде бұл
коэффицент өзгереді. Және оның өзгеруі ең соңында созу диаграммасының
геометриясын анықтайды. Деформациялық беріктендіру заңдылықтарын қатаң
талдау үшін шынайы кернеу (S немесе t) - деформация (e немесе g)
координаталарында қисық сызықтарды пайдалану керек. Металдардағы
пластикалық деформация белгілі жазықтықтарда жанама кернеулердің ықпалымен
белгілі жазықтықтарда дислокацияның қозғалуымен іске асырылатын
болғандықтан t – g қисық сызықтарын тұрғызған дұрысырақ. Сырғудың
келтірілген кернеуі:
tп=S·cosθ·cosγ,
мұндағы, θ –сырғанау жазықтығындағы нормаль мен созу осі аралығындағы
бұрыш;
γ –сырғанау бағыты мен созу осі аралығындағы бұрыш.
cosθ·cosγ туындысы бағдар факторын анықтайды: берілген созу жүктеуі
кезінде берілген сырғанау жүйесінде ол неғұрлым кіші болса, жанама кернеу
соғұрлым төмен.
Созу осі сырғанау бетіне перпендикуояр болғанда (γ=900) немесе оған
(θ=900), егер θ=γ=450 болған кезде, tп=0. tmax.
Сырғудың келтірілген деформациясы мына формуламен табылады:
gп=(cosθ0)-1{[(lкl0)2-sin2γ0]12-c osγ0},
мұндағы, θ0 и γ0 – бастапқы деформация кезіндегі θ және γ шамасы;
lк жәнеl0 – ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті
Кафедра НТМ
ПРАКТИКАЛЫҚ
ЕСЕП
(пәннің атауы)
Тақырыбы: Материалдардың механикалық қасиеттері
Қабылдады:
Абдилдина М.М.
(баға) (оқытушының аты-жөні)
(қолы) (уақыты)
Орындаған:
Мырзагулова З.Н.;
Каратаев Д.М.;
Құдайберген А.А..
(студенттің аты-жөні)
Мет-17-2
(тобы)
(сынақ кітапшасының
шифрі,нұсқа)
Қарағанды 2018
ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫНЫҢ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ
ҚАРАҒАНДЫ МЕМЛЕКЕТТІК ТЕХНИКАЛЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
Ж.Н.Атамбаев, О.А. Шарая, В. Ю. Куликов
МАТЕРИАЛДАРДЫҢ МЕХАНИКАЛЫҚ ҚАСИЕТТЕРІ
Университеттің Ғылыми кеңесі
Оқу құралы ретінде бекіткен
ҚАРАҒАНДЫ 2006
ӘОЖ 620.17÷539.3=512.122
КБЖ 303я7
М 55
Университеттің Редакциялық- баспалық кеңесі ұсынған
Пікір жазғандар:
Қарағанды мемлекеттік техникалық университетінің техника ғылымдары- ның
кандидаты, доцент Д.З.Мұхамедияров;
Ж.Әбішев атындағы Химия-металлургиялық институт зертханасының
меңгерушісі, техника ғылымдарының кандидаты З.Н.Тоқаев;
Қарағанды мемлекеттік техникалық университетінің Редакциялық-баспалық
кеңес мүшесі, техника ғылымдарының кандидаты, доцент Т.Ж.Жүкебаева
Атамбаев Ж.Н.
М55 Материалдардың механикалық қасиеттері: Оқу құралы \ Ж.Н.Атамбаев,
О.А.Шарая, В.ЮКуликов; Қарағанды мемлекеттік техникалық университеті.-
Қарағанды: ҚарМТУ баспасы, 2006.- 79 б.
ISBN 9965-788-80-4
Оқу құралында жүктеудің әр түрлі жағдайлары мен температуралары
кезіндегі деформация және қирау үрдістері беріген. Құрам мен құрылымның
металдар мен материалдардың механикалық қасиеттеріне әсер ету заңдылықтары
баяндалған, материалдарды сынаудың негізгі әдістемелері сипатталған.
Оқу құралы Материалдардың механикалық қасиеттері пәні бойынша
050709Металлургия, 050710 Материалтану және жаңа материалдар техно-
логиясы мамандықтарының студенттріне арналған.
ӘОЖ 620.17÷539.3=512.122
КБЖ 303я7
ISBN 9965-788-80-4 © Қарағанды мемлекеттік
Техникалық университеті, 2006
Кіріспе
Материалдардың механикалық қасиеттері пәні 130140 Материалтану және
материалдар технологиясы қолдану салалары бойынша, 240240 Металтану және
металдарды термиялық өңдеу мамандықтарының студенттері үшін базалық пән
болып табылады. Оқу құралы Қазақстан Республикасының білім және ғылым
министрлігімен бекітілген Мемлекеттік стандарттар және типтік бағдарламамен
сәйкес құрылған.
Қазіргі кезеңдегі өндіріс механикалық қасиеттер және олардың
пайдалану кезіндегі тұрақтылығына қатаң талаптар қоюда. Сондықтан машиналар
бөлшектерінің, конструкциялар мен басқа да инженерлік ғимараттарға жұмыс
істеу кезінде олардың сенімділігін артыру үшін алдын-ала кешендік сынақтар
жүргізу керек. Металдан жасалған материалдардың сапасын, оның ішінде,
металдар мен қорытпалардың пайдалану процесінде (конструктивтік беріктігі)
және өңдеу кезінде (деформациялануға кедергісі және технологиялық
иілімділігі) күйлерін анықтайтын механикалық қасиеттерін жақсартуға баса
көңіл бөлінеді.
Осы пәннің мәні мен мақсаты - механикалық қасиеттер теориясы және
олардың практика жүзінде эксперименталдық анықтау жөнінде негізгі
түсініктерді қарастыру.
Осы пәнді оқу нәтижесінде студент міндеттері:
- кристалдық құрылу ақаулары, деформация және қирау процестері
туралы түсінік болуы керек;
- металдар мен қорытпалардың құрылымдық құрамының механикалық
қасиеттерге әсер ету заңдылықтарын білуі керек;
- механикалық сынақтар нәтижелерін анықтау және статистикалық
өңдеу жүргізе алуы керек;
- негізгі механикалық қасиеттерді анықтауда практикалық
дағдылануы керек;
1 ЖАЛПЫ ТҮСІНІКТЕР МЕН АНЫҚТАМАЛАР
Деформация – денедегі бөлшектердің орналасуының өзара орын ауыстыруы
және дене өлшемдері мен пішінінің ауысуы.
Серпімділік – дененің жүк түсіру нәтижесінде деформациялануы және жүк
түсіруді алып тастаған кезде оның бастапқы қалпына қайта келу қасиеті. Жүк
түсіруді алып тастаған кезде жоғалатын деформация бөлігі серпімді деп
аталады, ал қалған бөлігі – қалдық (пластикалық) деформация деп аталады.
Беріктік – материалдың түсірілген жүкке қирамай қарсы тұра алу
қабілеті.
Қаттылық – материалға басқа материалды енгізуге қарсы тұру қабілеті.
Қатаңдық – түсірілген жүк әсерінен материалдың майыспау қабілеті.
Тұтқырлық – пластикалық деформацияға ұшырау кезінде материалдардың
энергияны қайтымсызжұту қасиеті.
Морт сынғыштық – қатты денелердің механикалық әсер ету кезінде
айтарлықтай пластикалық деформациясыз қирау қабілеті.
Дислокациялар – атомдық қабаттардың тордағы реттелуін бұзатын үзілген
немесе сығылған түріндегі түзулік бұрмалануы. Олар бүйір және винттік
болады.
Статикалық жүктеу – деп бір рет түсірілетін бір қалыпты және нөлден
өзінің максимал нүктесіне дейін салыстырмалы баяу өсетін жүктеуді айтады.
Динамикалық жүктеу – деп бір рет түсірілетін материалға кенеттен және
нөлден максимал шамаға дейін үлкен жылдамдықпен әсер ететін жүктеуді
айтады.
Қайталама-айнымалы (циклдік) жүктеу – деп материалға бірнеше рет
түсірілетін жүктеуді айтады, бұл кезде жүктеу жылдамдығының өсуі мен түсуі
әр түрлі болуы мүмкін.
1.1 Кернеу. Кернеу тензоры
Көптеген механикалық қасиеттер кернеу шамасы арқылы сипатталады.
“Кернеу” деген түсінік жүк түсіру шамасын бағалау үшін енгізілген, ол
деформацияланатын дене өлшемдеріне тәуелсіз. Сөйтіп, кернеу салыстырмалы
шама болып табылады және мына қатынаспен анықталады:
;
мұндағы, S – F ауданындағы кернеу, ол үлгі осіне перпендикуляр және
оның бойымен Р күші әсер етеді (1,1 – сур.).
Дененің кез-келген қимасындағы кернеу шамасын анықтау үшін соңғысын
екіге бөледі, содан соң дененің бір бөлігін ойша алып тастайды да, оның
қалған бөлікке әсерін ішкі күштермен алмастырады.
СИ жүйесінде кернеу әрбір квадрат метрге кеткен ньютонмен беріледі
(Нм2,МНм2). Практика жүзінде көбінесе кернеудің өлшемділігін қолданады
(1 кгсмм2=9,8*106 Нм2).
а
б
1.1 сурет – Кернеуді анықтауға арналған схемалар
Жалпы жағдайда күш әсер ететін жазықтық ауданына перпендикуляр емес.
Сөйтіп, оны екі құраушыға жіктеуге болады: нормаль кернеу түзуші (ауданға
перпендикуляр) нормаль және аудан жазықтығында әсер ететін және жанама
кернеу тудырушы жанама. Механикалық сынақтарда осы кернеулерді анықтайды.
Беріктікке есептеу кезінде де осы кернеулерді пайдаланады. Деформация және
қирау кезіндегі кейбір процестер жанама кернеумен (пластикалық
деформация, кесу), басқалары – нормаль кернеумен (үзу) анықталады.
Нормаль кернеулерді созушы (қалыпты) және сығушы (теріс) деп бөледі.
Нақты тапсырмаларды шешу кезінде дененің кез-келген қимасында әсер
ететін кернеуді бағалай білу керек. Ол үшін кернеу тензоры деген түсінікті
пайдаланады.
Кернеу ықпалында болатын дене ішінде қашанда өлшемдері өте кіші
параллелепипед бөліп алуға болады, оның қабырғалары еркін таңдалып алынған
координата осьтеріне параллель (1.2-сур.). Жалпы жағдайда оның параллель
емес үш қырына нормаль және жанама деп бөлуге болатын өзара теңестірілген
кернеулер векторы әсер етеді. Нәтижесінде параллелепипед тоғыз кернеудің –
(Sx, Sy, Sz) үш нормаль және (txy, txz, tyx, tyz, tzy, tzx) алты жанама
кернеудің ықпалында болады. Осы кернеулер жиынтығын кернеу тензоры деп
атайды, олар былай жазылады:
1.2-сурет - Параллелепипед қырларына әсер
ететін өзара теңестірілген кернеулер
Таңдалынып алынған параллелепипед тепе-теңдікте болуы және айналмауы
үшін координаттық осьтерге қатысты моменттер теңдігі болуы керек. Сондықтан
txy=tyx, tzy=tyz, txz=tzx (жанама кернеулердің жұпталу заңы). Осыдан,
кернеу тензорында шындығында тоғыз емес, алты тәуелсіз кернеу болатынын
көруге болады. Олардың көмегімен кез-келген күрделі кернеулі күйді
сипаттауға болады. Тензор дененің берілген нүктесі арқылы өтетін таңдалып
алынған оське қатысты бағыттаушы косинустар (аудан арасындағы бұрыш
косинусы және оған сәйкес координата осі) белгілі болса, кез-келген
аудандағы нормаль және жанама кернеулер шамасын анықтауға мүмкіндік береді.
Басты аудандарға тек нормаль кернеулер ықпал ететін аудандар
жатқызылады, жанама кернеулер нөлге тең.
Әдетте, механикалық сынақтар кезінде кернеудің басты бағыттары алдын-
ала белгілі, оларды координаталық осьтер ретінде қабылдауға болады. Сонда
кернеу тензоры қарапайым күйге келеді және мынадай көріністе болады:
,
мұндағы S1, S2, S3,- сәйкесінше ең жоғарғы, орташа және ең кіші басты
нормаль кернеу.
Кез-келген кернеулі күйде ең жоғарғы жанама кернеу τmax басты оське
450-та орналасқан ауданда әсер етеді, ал олардың шамасы басты нормаль
кернеулердің сәйкес жарты айырымына тең:
.
1.2 Деформация. Деформация тензоры.
Кернеудің әсерінен барлық материалдар деформацияланады, яғни, пішіні
мен өлшемдері өзгереді. Механикалық сынақтар нәтижелері бойынша әр түрлі
серпімді, көбінесе, қалдық деформациялар сипаттамаларға баға береді.
Деформацияның келесі сипаттамалары кеңінен қолданылады: үлгілердің ұзаруы
(қысқару), жылжуы және жіңішкеруі (кеңею).
Әдетте, деформация нәтижесінде үлгі ұзындығының ұлғаюын салыстырмалы
ұзарумен сипаттайды:
мұндағы - шекті ұзындық;
- бастапқы ұзындық;
- абсолют ұзару (1.3-сур.).
шамасы шартты сипаттама болып табылады, себебі деформация ең
басынан бастап үздіксіз ауысып тұратын ұзындығы бойынша тарайды және
қатынасы физикалық мәнінен айырылған .
а) б)
3-сурет. Деформация кезіндегі ұзару (а) және жылжу (б)
Шынайы салыстырмалы ұзару мынаған тең:
Үлгінің ұзаруы мен қысқаруы нормаль кернеудің әсерінен болады. Жанама
кернеулер жылжу деформацияларын тудырады, олар (радиан) сырғу бұрышы
немесе салыстырмалы жылжу шамасы бойынша бағаланады (1.3-сур.).
Салыстырмалы ұзару мен сырғу (е мен g) иілімділік пен серпімділік
теорияларына қолданылатын деформацияның негізгі (фундаменталды)
сипаттамалары. Ұзару және сырғу жиынтығы – дефоррмация тензоры – кернеу
тензоры аналогы бойынша берілген нүктедегі кез-келген серпімді күйді
сипаттайды және кез-келген бағыттағы е шамасын, кез-келген жазықтықта g
шамасын анықтауға мүмкіндік береді. Егер деформацияның басты үш бағыты
(сырғу шамалары нольге тең болса) алдын ала белгілі болса, оларды
координата осьтеріне орналастыруға болады, дефоррмация тензоры үш ұзару
жиынтығымен сипатталады:
,
мұндағы е1,е2, е3-сәйкесінше ең үлкен, орташа және ең кіші ұзару.
Деформацияның кеңінен қолданылатын үшінші сипаттамасына салыстырмалы
жіңішкеру Ψ жатқызылады:
,
мұндағы F0,Fk – сәйкесінше үлгінің бастапқы және соңғы көлденең қимасывның
ауданы;
, және араларында бірдей шамалы деформациялар
облысында функционалдық байланыс бар, яғни, әзірше пішіннің салыстырмалы
өзгеру шамасы мен үлгінің барлық жұмыс нүктелеріндегі өлшемдер алмасуы
бірдей. Бұл байланыс пластикалық деформация кезінде көлемнің тұрақтылығы
шарттарынан шығады:
.
Деформацияның бұданда басқа сипаттамалары қолданылады. Мысалы, июге
сынау кезінде деформация шамасын иілу жебесі, ал бұрауға сынауда бұралу
бұрышы бойынша бағалауға болады.
1.3 Я.Б Бридман бойынша механикалық сынақтар
кезінде деформацияланған және кернеуленген
күйдің схемалары.
Көбінесе механикалық сынақтар нәтижелері кернеуленген күй схемаларымен
анықталады, ол үлгіде жүктеу шартарымен беріледі. Бір ғана материал
кернеуленген күйдің әр түрлі схемасы бойынша сынақтан өткізілсе, беріктік
пен иілімділіктің тіптен ұқсамайтын сипаттамаларын беруі мүмкін. Мұндай
схеманың сегіз түрі бар (1.1-кесте).
1.1-кестеде келтірілген схемалар тек серпімді және тең шамалы
деформация облыстарына жарамды. Нақты сынақтар процесінде шоғырланған
пластикалық деформациядан кейін бұл схемалар біршама өзгеруі мүмкін.
Кернеуленген күйдің схемасы механикалық қасиеттерге, әсіресе сығу және созу
кернеулері қатынастары арқылы деформация (пластиналылық) сипаттамаларына
ықпалын тигізеді. Сығу кернеулері көп шамада созумен салыстырғанда
пластиналылықтың болуына бейімдейді(гидростатикалық сығу жағдайында қирау
тіптен болмайды). Сондықтан, неғұрлым, кернеулі күй схемасындағы сығушы
рөлі неғұрлым жоғары болса, ол соғұрлым, жұмсақдеп саналады, себебі оны
жүзеге асыру кезінде материалдың деформациялық қабілеті жоғары. Кернеулі
күй схемасы жұмсақтықты мөлшерлік бағалау үшін Я.Б.Бридман арнайы
жұмсақтық коэффициентін есептеуді ұсынды:
α=,
мұндағы, tmax –ең жоғаррғы жанама кернеу ;
Smax –неғұрлым келтірілген басты нормаль кернеу.
Беріктіктің екінші теориясы бойынша
Smax=S1- υ·(S2+S3),
мұндағы, υ –Пуассон коэффициенті.
Сонда
α=,
Металдардың көбісінде Пуассон коэффициенті шамамен бірдей, ол ≈0,25-ке
тең, ал шамасын мына теңдікпен есептеуге болады:
α=
қатынасының кернеулі күй схемасының “жұмсақтығын”
сипаттайтындығы мынаған келтіріледі. tmax шамасы пластикалық дефоррмауция
басының жеңілдігін, Smax – морт үзілуді анықтайды. Егер tmaxSmax болса,
онда үлгіге жүк түсіру кезінде моррт сынудан бұрын, пластикалық джеформация
басталып, морт үзілу алыстатылады. Егер tmaxSmax болса, онда қирау
пластикалық деформация пайда болғанға дейін болуы мүмкін. Неғұрлым, tmax
үлкен және Smax кіші болса, (яғни, α үлкен), пластикалық деформацияның
таралыуна ыңғайлы жағдай болады. Кернеулі күй схемасында сығу кернеулері
жоқ болған кезде үш осьтік созу кезінде α=0. Бұл схема ең жоғарғы
қатаңдықпен ерекшеленеді, яғни мұндай жағдайда материалдардың
деформациялану қабілеті ең төменгі шамада. Кейбір металдар мен қорытпалар
(сұр шойын, шыңдалған болат, интерметаллид) деформацияланады және α шамасы
ең төмен болған кезде кернеулі күйдің жұмсақ схемалары жағдайларында
қауіпсіз қызмет ете алады.
Шамасы әр түрлі сынақтарды салыстырмалы жұмсақтықты бағалау үшін α
пайдаланылуы мүмкін.
1.1-кесте-Кернеулі күйдің схемалары (Я.Б. Фридман бойынша)
Кенрнеулі күй Керенулі күй Кернеу тензоры Жүзеге асырук
схемасы схемалары
Түзулік Бір осьтік (S)= Үлгілерді
созу S10 кеспей созуға
сынау (мойынша
пайда болғанға
дейін)
Бір осьтік (S)= Сығуға сынау
сығу S30 (бүйір беттерде
үйкеліс
болмаған кезде)
Жазық Екі осьтік (S)= Енді үлгіні ию
созу S10, S20 (S1=4S2). Ішкі
қысым мен
осьтік созуға
ұшыраған жұқа
қабырғалы
цилиндр
Екі остьтік (S)= Бүйір беті
сығу S20, S30 бойынша
үлгілерді
сақина бойы
сығу (S3=S2)
Әр түрлі (S)= Цилиндр тәрізді
атаулы жазық S10, S30 өзекшені
кернеулі күй айналдыру
(S1=-S3)
Көлем-дік Үш осьтік (S)= Қыздырылған шар
созу S10, S20, S30 центрінде
гидрростатикалы
қ созу
(S3=S2=S1).
Цилиндрр
тәррізді үлгіні
кесумен созу
(центрлік
зоналарда,
мұндағы S1S2,
S2≈S3)
Үш осьтік (S)= Гидростатикалық
сығу S10, S20, S30 сығу.
Инденторды
қысып
қаттылыққа
сынау.
Көлем-дік Әр аттас (S)= Гидорстатикалық
көлемдік S10, S20, S30
кернеулі күй қысыммен
мойыншасы бар
үлгіні созу
1.2-кесте. Әр түрлі сынақтар кезіндегі α жұмсақтық коэффициенті
Сынақ түрі Басты нормаль кернеулер α
S1 S2 S3
Үш осьтік созу S S S 0
Бір осьтік созу S 0 0 0,5
Айналдыру S 0 -S 0,8
Бір осьтік сығу 0 0 -S 2
Үш осьтік сығу -S -(73)S-(73)S 4
1.4 Механикалық сынақтар түрлері мен сипаттамасы.
Үлгіге жүктеудің екі тәсілін пайдаланады: 1) оның деформациясын
белгілі жылдамдықпен беру және осы деформацияға үлгінің кедергі күшін өлшеу
жолымен; 2) үлгіге тұрақты жүк түсіре отырып.Осы кезде туындаған
деформацияны өлшеумен.
Үздіксіз өлшеу мүмкіндігін және дефоррмацияға үшгінің кедергі күшін
жазып тұруды қамтамасыз ететін бірінші тәсіл кеңірек тараған. Ол іс жүзінде
статикалық сынақтың барлық түрінде қолданылады.
Жүктеудің екінші тәсілін қолданудың маңызды мысалы – сырғанау және
ұзақ мерзімдік беріктікке сынау.
Уақыт бойынша жүк түсіруді өзгерту сипаты бойынша статикалық,
динамикалық және циклдік болып бөлінеді. Статикалық жүк түсіру салыстырмалы
баяу өсумен сипатталады, ол нөльден бастап біршама максимал шамаға дейін
өседі (әдетте, секундтан бірнеше минутқа дейін). Динамикалық жүктеу
кезінде бұл өсу өте қысқа уақыт аралығында жүреді (секундтың ішінде).
Циклдік жүктеулер бағыт бойынша немесе шамасының бірнеше мәрте өзгеруімен
сипатталады.
Ықпал ететін жүктеу сипатына байланысты статикалық, динамикалық және
циклдік сынақтарды айырады.
Статикалық сынақтар үлгіге келетін жүктеудің бір қалыпты салыстырмалы
баяу өзгеруімен және деформацияның төмен жылдамдығымен, сол сияқты
қозғалатын машина бөлшектерінің шапашаңдық шамасының төмендігімен
ерекшеленеді, бұл кезде инерция күштерін ескермеуге болады. Статикалық
сынақтар кезінде қарапайым статикалық тепе-теңдік әдісімен жеткілікті
дәлдікпен түсірілетін жүктеу және деформацияны, сонымен қатар сынақтың кез-
келген моментінде деформация жұмысы шамасын анықтауға болады.
Үлгіге түсірілетін жүктеме схемасымен ерекшеленетін статикалық
сынақтардың мына түлері неғұрлым маңыздырақ: бір осьтік созу, бір осьтік
сығу, ию, айналдыру.
Динамикалық сынақтар үлгіге күш түсіру шамасын тез арада өзгерту және
оның деформациясының үлкен шамада болуымен сипатталады. Динамикалық
жүктеуді үлгіге ауыр салмақпен еркін құлайтын соққымен іске асырады.
Нәтижесінде үлгінің біраз бөлігінде және сынақ машинасында біршама инерция
күштері өрбиді. Динамикалық сынақтар нәтижесінде динамикалық деформацияның
толық және салыстырмалы жұмысы шамасын, сол сияқты, үлгідегі қалдық
деформация шамасын анықтайды. Динамикалық сынақтарды көбінесе ию схемасы
бойынша жүргізеді.
Қажуға сынау жүргізу үшін үлгіге түсірілетін жүктеменің бірнеше мәрте
өзгерту тән. Мұндай сынақтар көп уақыт алады (сағаттар –жүздеген сағаттар).
Қажуға сынау нәтижелері бойынша әр түрлі кернеу шамаларында қирауға дейінгі
циклдер саны, ең соңында – үлгінің жүктеудің белгілі циклі саны аралығына
төзетіні анықталады. Қажу сынақтары кезінде жүктеудік әр түрлі схемаларын
қолданады: ию, созу, сығу, айналдыру.
Сынақ жүргізудің тағы да басқа екі үлкен айрықша тобы бар: Біріншісі
– қаттылыққа сынау, мұнда, деформацияға кедергінің немесе басқа денемен
(индентормен) әрекеттесу кезінде үлгінің беттік қабатының қирау
сипаттамалары бағаланады. Қаттылыққа сынаудың көп түрлері статикалық болып
табылады.
Екінші топ - сырғанағыштық және ұзақ мерзімді беріктік. Сынақтың бұл
түрлерін, әдетте, ыстыққа беріктік сипаттамаларын бағалау үшін жоғары
температураларда жүргізеді. Үлгілер барлық сынақ жүргізу кезінде тұрақты
кернеу ықпалында болады. Сырғанағыштыққа сынау кезінде үлгі әр түрлі
кернеуде болған кезде уақыт бойынша деформацияны анықтайды, ал ұзақ
мерзімдік беріктікке сынау нәтижесінде әр түрлі кернеу ықпалында қирауға
дейінгі уақыт бағаланады.
Сынақтар әр түрлі теріс шамалы өте төмен температуралардан басталып,
әр түрлі орталарда балқу температурасына дейінгі температуралар
аралықтарында өткізіледі.
Сынақтарды бірнеше мәрте қайталау кезінде нәтижелер тұрақтылығын
қамтамасыз ететін белгілі жағдайлар орындалуы керек. Бұл ережелердің
орындалуы әр түрлі уақытта, әр түрлі лабораторияда, әр түрлі құрал-
жабдықтарда жүргізілген сынақтар нәтижелерін сәйкестендіруге кепілдік беруі
керек. Мұндай тұрақтылықты және нәтижелер сәйкестігін қамтамасыз ету
шарттары механикалық сынақтар подобия шарттары деп аталады.
Ол үшін ұқсастықтың үш түрі орындалу керек:
1) геометриялық (үлгінің пішіні мен өлшемдері);
2) механикалық (жүк түсірудің схемасы және күйі);
3) физикалық (сыртқы физикалық жағдайлар).
Үлгінің пішіні мен өлшемдері дене пішіні мен жүк түсіру нүктелерінің
белгілі орналасуынан тәуелді кернеулі күй схемалары арқылы сынақ
нәтижелеріне әсер етеді.
Жалпы алғанда, механикалық подобиенің мәні үлгілердің жұмыс
бөлігіндегі үйлесетін қималарда тождественное кернеулі күй мен бірдей
салыстырмалы деформация болуында. Егер деформация жылдамдығын ескермесе,
онда механикалық подобия шарты, үлгіге түсірілген барлық сыртқы күштер
сәйкес бағытталған және сәйкес нүктелерде түсірілген болуы керек.
Деформация жылдамдығы жоғары болса, әр түрлі өлшемді үлгілерде механикалық
подобияны сақтау күрделенеді.
Сәйкес келетін нәтижелер алу және оларды дұрыс талдау үшін сынақтар
үшін дайындау әдістеменің маңызы зор. Әр жағдайға байланысты ол толық
баяндалуы керек. Бір материал оны жасап алу жағдайларына (құю кезіндегі
кристалдану жылдамдығы, прокаттау кезіндегі сығу дәрежесі, т.б.) байланысты
әр түрлі қасиеттерге ие болуы мүмкін. Сондықтан салыстырмалы мәліметтер алу
үшін қашан да үлгілер үшін дайындамалар өңдеу, оларды кез келген технология
(мысалы, станоктарда) бойынша дайындау кезінде режимдер
үйлесімділігі сақталуы керек.
Үлгіні дайындау тәсілі нәтижесінде бөлшекке сәйкес үйлесімді құрылым
түзілуі керек. Белгілі пішінді үлгілер дайындау кезінде дайындамаға
берілген металл қасиеттерін өзгертпейтіндей өңдеу әдісін таңдау керек.
Сондықтан үлгілерді дайындау процесінде үлгілерді бөлме температурасынан
жоғары температураға қыздыруға жол берілмеу керек, пластикалық
деформацияның (наклеп) және т.б. болмауы қамтылуы керек. Үлгілер беттерінің
сапасының жоғары болуының маңызы зор. Беттік ақаулар (сызаттар) кернеу
концентраты болып қызмет етеді де беріктік пен иілгіштік сипаттамаларын
төмендетеді.
2 МЕТАЛДАРДЫҢ СЕРПІМДІЛІК ҚАСИЕТТЕРІ
2.1 Гук заңы және серпімділік қасиеттер константасы.
Юнг модулі, сырғу модулі және Пуассон коэффициенті.
Серпімділік деформациясы кезеңін үлгілер механикалық сынақтардың
барлық түрлерінде өтеді.
Металдардың серпімділік деформациясы кезіндегі күйін Гук заңында
баяндалған, онда кернеу мен серпімді деформация арасындағы тура
пропорционалдық анықталады. 2.1-суретте бір осьті созу, айналдыру және
гидростатикалық сығу кезіндегі кернеу – деформация қисығында (серпімді)
участкелер берілген.
2.1-сурет-Кернеу-деформация серпімді учаскелері
Осы үш қисықтың әр қайсысының қиғаштануы, яғни кернеу мен
деформацияны байланыстыратын пропоруионалдық коэффициенті серпімділік
модулін сипаттайды:
E=Se; G=tg; K=Pχ
Созу кезінде анықталатын Е модулі қалыпты (нормальный) серпімділік модулі
немесе Юнг модулі деп аталады. G модулі - сырғу модулі (жанама
серпімділікке қатысты), К- көлемдік серпімділік модулі (Р-гидростатикалдық
қысым, χ- көлемнің кішіреюі). Серпімділік модулі материалдың қатаңдығын,
яғни серпімділік деформациясы шамасы бойынша кернеудің қарқындылығының
ұлғаюын анықтайды.
Металдардың серпімді деформациясы механизмі кристалдық торда
атомдардың қайтымды араласып тепе-теңдңк күйге күйіне келуінде. Әр атомның
орын ауыстыру шамасы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым, жалпы үлгінің
серпімділік макродеформациясы үлкен болады. металдардың бұл серпімді
деформациясы шамасы үлкен болмайды (әдетте, серпімділік облысындағы
салыстырмалы ұзару бір пайыздан төмен), себебі кристалдық тор атомдарының
атом аралық орын ауыстыруы атом аралық ара қашықтықтың өте төмен үлгесінде.
Серпімділік модульдерінің мәні де осы металл құраушысы болып табылатын
атомдардың деформацияға кедергісімен, яғни тордағы атомдардың тепе-теңдік
күйден атомдардың ауысуымен сипатталады. Мысалы, е шамасы әр түрлі екі
металды (2.1,а-сур., 1, 2-түзулер) салыстырса, атомдар бірдей орын ауыстыру
үшін е үлкен шамалы болған жағдайда үлкен кернеу қажет болады (2-түзу).
Кернеулі күйдің күрделі сземаларында деформация бағыты бойынша кернеуен
сәйкес келмеуі мүмкін. Кез келген бағытта кернеулер мен деформациялар
арасындағы түзулік байланысты бекітетін изотропты дене үшін Гук заңы:
ex=1E[Sx-υ(Sy+Sz)];
ey=1E[Sy-υ(Sx+Sz)];
ez=1E[Sz-υ(Sx+Sy)];
gxy=txyG;
gxz=txzG;
gyz=tyzG;
мұндағы υ – көлденең салыстырмалы деформацияның бойлыққа қатынасын
сипаттайтын бір осьті созу (сығу) кезіндегі бойлық деформацияға Пуассон
коэффициенті.
Пуассон коэффициенті υ –серпімділік модульдерінен кейін серпімділік
қасиеттердің төртінші маңызды константасы. Бұл төрт константа өзара
байланысқан:
E=2·G·(1+υ);
E=3·K·(1-2·υ).
Олардың екеуін біле отырып, қалғандарын есептеп алуға болады.
Гуктың жалпыландырылған заңы изотропты дене үшін салыстырмалы
қарпапайым түрде жазылады. Металдарда кристалдық құрылым бар және олар
анизатропты дене болып табылады. Көрші атоамдар аралықтарындағы қашықтық
неғұрлым, төмен болса, берлілген бағыттағы серпімділік модулі, соғұрлым
жоғары болуы керек. Анизатропты дене үшін Гук заңы біршама күрделенеді: ол
деформация тензорының әрбір компоненті мен кернеу тензорының барлық алты
тәуелсіз компоненттері арасындағы тура пропорционалдықты көрсетеді.
Серпімділік модулі атом аралық байланыс беріктігінің маңызыды
сипаттамасы болып табылады. Оның шамасы атом аралық өзара қатынасты
анықтайтын барлық факторларға тәуелді температураның жоғарылауымен
серпімділік модулі төмендейді. Металдарды легірлеу кезінде қатты
ерітінділер түзетін элементтердің серпімділік модулі түзулік алмасады,оның
өсуі де, төмендеуі де мүмкін.
2.2 Серпімділік қасиеттерді анықтау әдістері: резонанстық, импульстік.
Серпімділік қасиеттердің кейбір константаларын стнадартты статикалық
сынақтар көмегімен анықтауға болады. Созуға сынау нәтижесінде Е-ні,
айналдыру кезінде G-ді бағалайды. Көбінесе жоғары дәлдігімен ерекшеленетін
арнайы динамикалық әдістерді пайдаланумен серпімділік модульдерін, ал
Пуассон коэффициенттерін серпімділ-кернеулі үлгі бойы және деформация
бағытына көлденең тор периодын анықтай отырып, рентгеноқұрылымдық талдау
нәтижелері бойынша табады.
Әсіресе, G сырғу модулін және Е нормаль серпімділік модулін
анықтаудың динамикалық әдістері жақсы әзірленген. Барлық динамикалық
әдістер зерттелетін үлгінің тербеліс жиілігі (резонанс әдістері) немесе
ондағы дыбыс жылдамдығы (импільстік әдістер) серрпімділік константаларына
тәуелділігіне базаланады.
Резонанстық әдістерді қолдану кезінде өзекше түріндегі үлгі бойлық
немесе көлденең толқындармен меншікті жиілігінің біреуіне дейін қозады. Бұл
тоқындардың ұзындықтары үлгі радиусынан біршама үлкен болуы керек.
Сонда мәжбүрлі тербеліспен үлгінің меншікті жиілігі сәйкес келуі
сәтінде онда тік толқын түзіледі. Е модулі резонанстық жиілікпен
мынадай қатынаспен байланысқан (ұзын өзекше үшін)
Е = 4·ρ·l·ωрез·Δ,
мұндағы ρ – үлгі материалының тығыздығы;
l – үлгінің ұзындығы;
Δ –былайша анықталатын Δ = 1 + коэффициент;
r – үлгінің радиусы;
v –Пуассон коэффициенті.
Үлгілердегі механикалық тербеліс жиіліктері 102-105 Гц шамасында
қозуы әр түрлі тәсілдермен өткізілуі мүмкін. Тербеліс жиілігін, оның
ішінде, резонанстық тербеліс жиілігін осциллограф көмегімен анықтауға
болады.
G сырғу модулін анықтау үшін айналу маятнигі қолданылады. Оның
тербеліс жиілігі G модулімен байланысты:
ω = ,
мұндағы r – үлгі радиусы;
l – оның ұзындығы;
I – жүктің инерция моменті.
Сырғу модулін эксперименталдық түрде анықтауды ішкі үйкелісті анықтау
қондырғыларында да жүргізеді.
Импульстік әдістерде серпімділік константасын анықтауда мегагерц реті
жиілігін пайдаланады. Бұл әдістеррді қолдану дыбыс жылдамдығының (υ)
таралатын орта серпімділігі константасына қатынасына негізделген:
υпрод = ,
υпопер = .
Сөйтіп, үлгідегі бойлық және көлденең дыбыс толқындарының таралу
жылдамдығын анықтай отырып, үлгі материалының серпімділік модулін табуға
болады. Ультрадыбыстық импульстерді беру үшін ультрадыбыстық
генераторларды, ал υпрод және υпопер – электрондық осциллогррафпен
күшейткіштер арқылы байланысқан кварц пьезокристалын қолданады.
2.3 Металдардың шала серпімділігі. Баушингер эффекті.
Серпімділік әсері. Ішкі үйкеліс.
Металдар мен қорытпалардың серпімділк деформациясы облысында таза
серпімділік жағдайдан ауытқулар байқалады.
Металдардың шала серпімділігінің белгілі құбылыстарының бірі Баушингер
эффекті болып табылады. Оның мәні мынада: плстикалық әлсіз деформацияланған
үлгіні қайталап жүктеу кезінде кері бағытта кіші пластикалық деформацияға
кедергісі төмендейді. Үлгіні 1...2 %-ке создық делік (2.2-сур., а нүктесіне
дейін). Енді жүктемені аламыз да үлгіні сығуға ұшыртамыз. Кернеу-деформация
(0ес) қисық сызығы сәйкес 0b қисық сызығынан төменде жатады. Қайталап
созу кезінде, егер b пластикалық деформацияның басталуына сәйкес келсе,
онда бұл кесінді (отрезок) Баушингер эффекінің негізгі мөлшерлік
сипаттамларының бірі болып табылады да Баушингер деформациясы д.а.
Бұл эффектіні анықтайтын процесс бастапқы созу кезінде әр түрлі
көздермен порожденный дислокацияның кері қозғалысынан тұрады. Деформацияның
бастапқы кезеңінде баяу өсетін генерацияланған қисық сызықтар саны
дислокациялық салыстырмалы түрде, әжептәуір ара қашықтықта барьерде
тоқтағанша тез қозғалады. өрбіген дислокациялық құрылым тұрақты және жүкті
алып тастау нәтижесінде аз шамада өзгереді. Сондықтан қайталап созу кезінде
деформациялануға кедергісі біріз шамаға дейін өседі немесе бастапқымен
салыстырғанда мүлдем өзгермейді. Дислокацияның кернеу белгісін өзгерткен
кезде көз бағытына кері бағытталуға тура келеді. Дислокацияның орын
ауыстыруы нәтижесінде қосымша баушингер деформациясы пайда болады.
Біраз шамада алдын-ала деформация жүргізілгеннен кейін қайта жүк
түсіру кезінде дислокацияның қайта таралуы қиындайды және баушингер
деформациясы нольге жақындайды.
Циклдік жүк түсіру жағдайларында сынақтар жүргізу және эксплуатациялау
кезінде баушингер эффектінің маңызы зор.
Металдардың шала серпімділігінің байқалуына серпімділіктің әсері
жатқызылады. Онда металдың барлық кері деформациясы таза серпімді
болатындығы айтылған. Үлгіні алып кернеу-деформация қисық сызығымен
серпімділік учаскесінде кенрнеу тудырамыз [1].
2.2-сурет-Баушингер эффектінің схемасы 2.3-сурет-Серпімді әсер схемасы
Жүкті алып тастаған кезде мұндай үлгінің өлшемдері жүк түсіргенге
дейінгі өлшемдеріндей болып қала береді. Бірақ, кернеу түсіру әсері және
алып тастағаннан кейінгі оның ұзаруын уақыт бойынша өзгеруін қарастырамыз.
Оған сәйкес диаграмма 2.3-суретте келтірілген. Шындығында, үлгіміздің таза
серпімді деформациялануы тек ОС шамасына дейін, ал содан кейін
параболатыққа жақынырақ заң бойынша әжептәуір баяу созылады. Жүкті алып
тастағаннан кейін К нүктесінде өте тез арада таза серпімді деформацияны
алып тастау жүреді (КМОС), содан кейін, қалған деформация салыстырмалы
түрде баяу алынады. Ең соңында, (N нүктесінде), үлгінің бастапқы
өлшемдері бар, бірақ, кері қайтып келген деформацияның барлығы бірдей
серпімді болмайды.
Серпіміділік механизм әсері нүктелік ақаулардың орын ауыстыруымен
байланысты болуы мүмкін, мысалы, к.ц.к торлы металдарда ену қоспалары
атомдары. Кернеудің әсерінен қоспалық атомдардың қайта таралуы баяу жүреді,
олар тордың ең аз шамада бұрмалануын тудыратын жүк түсіру осінің бойындағы
қабырғаларда торап арқылы орын алуға тысысады. Нәтижесінде тор және барлық
үлгі жүк түсіру әсерінің бағытында бойлық созылады. Бұл кенет
жүргізілмейді.
Серпімді әсер жылдамдығы мен шамасы материал құрылымы мен оны сынау
жағдайларына байланысты. Мысаыл, жылдамдықтың көтерілуі серпімділік
әсерінің жылдамдығын кенет жоғарылатады (цинкте температураны 150-қа
көтергенде -50%-ке).
Серпімді емес эфектілер металл ішіндегі қайтып келмейтін энергия
шығынын сипаттайтын ішкі үйкелістің себепкері болып табылады. Кернеу-
деформация диаграммаларындағы қисық сызықтар жүк түсіру және жүкті алып
тастау кезінде металдардың шала серпімділігі салдарынан сәйкес келмейді
(2.4-сур.), гистерезис қисық сызығы түзеді. Оның көлемі жүк түсірудің бір
цикліне таралған энергияны сипаттайды.
Ішкі үйкеліс шамасын білу белгілі жағдайларда жұмыс істейтін
материалды дұрыс таңдау үшін қажет. Мысалы, амортизаторларға арналған
демпфирленетін материалдардың ішкі үйкелісі жоғары болуы керек. Керісінше,
өлшеу аспаптарының көптеген бөлшектері төменгі инерциондық пен өлшеудің
жоғары дәлдігін қамтамасыз ету үшін, серпімді энергияны таратпауы керек
2.4-сурет - Серпімді емес құбылыс нәтижесінде гистерезис қисық
сызығының түзілуі.
Ішкі үйкеліс шамасын экспериментті бағалау үшін жүктеу және жүкті
алып тастау кезіндегні кернеу мен деформация арасындағы байланысты білу
керек (2.4-сурет). Практика жүзінде жүктеуді периодты түрде өзгерту арқылы
динамикалық әдісті қолданады. Мысалы, синусойдтық заң бойынша. Жүктеуді
осылайша өзгертуге деформацияның периодтық өзгеруі де сәйкес келеді, бірақ,
деформацияның серпімсіздік құбылысы үшін фаза бойынша кернеуден
бұрышына шегіндеп қалу керек. шамасы – тербеліс энергиясының
таралу сипатының, яғни ішкі үйкеліс сипаттамасының бірі. Басқа сипаттаманы
қисық сызығы ауданын бағалау арқылы алуға болады. Бұл аудан бір циклдегі
знергия тербелісінің шығын шамасына тең. Ішкі үйкеліс шамасы ретінде
алады, мұндағы, - деформацияның толық энергиясы.
Тағы да бір сипаттама - тербеліс амплитудасының өшудің
логорифмдік декременті. Ол терделістегі ұлгінің алдыңғы максимал ауытқуының
натурал логориифмінің келесіге қатынасына тең.
tgφ≈γπ≈ΔW2πW=Q-1,
мұндағыQ-1 – Ішкі үйкелістің кеңінен қолданылатын белгіленуі.
Ішкі үйкелісті зерттеудің эксперименталдық әдістерінің ішінде кеңінен
тарағаны – айналу маятнигі әдісі. Түзу айналу маятнигінде үлгі серіппелі
ілінген сым немесе лента тәріздес болады, оның төменгі шетіне айналу
тербелісін 1 Гц-ке дейін төмендететін инерциялық масса бекітіледі. Ол айна
маятнигінде бекітілген айнадан шағылаған жарық бейнесінің орын ауыстыруын
байқай отырып, тербелістерді көзбен көру арқылы тіркеуге мүмкіндік береді.
Түзу маятниктегі инерциондық масса үлгіде әжептәуір созу кернеуін тудыруы
мүмкін, бұдан тәжірибелер нәтижелері бұрмаланады. Мұндай жағдайда басқа
конструкциялы – аударылған айналдыру маятнигін қолданады. Мұнда үлгінің
төменгі шеті қозғалмайтын етіп бекітіледі, ал инерциондық масса жоғарғы
шетіне бекітіледі де өшуі аз матеиалмен ұстатылады.
Айналу маятнигінің ішкі үйкелісін схема бойынша өлшеуге арналған
эксперименталдық қондырғылар – күрделі құрылғылар. Бұл қондырғылардың схема-
блогына мына негізгі элементтер кіреді: 1) айналу маятнигі; 2) механикалық
коррекция жүйесі; 3) демпфирлеуші құрылғы; 4) қоздыру және тіркеу жүйесі;
5) инерция моментін өзгерту жүйесі; 6) температураны реттеу және өлшеу
жүйесі; 7) вакуумдық жүйе.
Қарастырылған серпімсіздік (неупругость) сипаттамалары және
серпіміділік қасиеттер константаларының маңыздылығы, реалдық эксплуатацялау
жағдайларында әр түрлі конструкциялардағы көптеген материалдардың
платикалық деформацияға жіберілмей, серпімділік жағдайларда жұмыс
істейтіндігі. Дегенмен, стандартты механикалық қасиеттердің көбісінде
платикалық деформация кедергісі немесе осы деформацияның рұқсат етілген
шамасы сипатталады. Серпімділік және серпімділік емес қасиеттернегізінен
металлофизикалық зерттеулерде, әсіресе, пластикалық деформация кезеңінде
талдаулар жүргізу үшін анықталады.
3 ПЛАСТИНАЛЫҚ ДЕФОРМАЦИЯ
3.1 Пластикалық деформация механизмдері.
Пластикалық деформация механизміндегі дислокацияның ролі.
Пластикалық деформация атомдардың коллективтік қайтымсыз орын
ауыстыруының нәтижесі болып табылады. Кристалдарда бұл орын ауыстырулар
пластикалық деформацияның атомдық механизмі болып табылатын
дислокациялардың қозғалысы жолымен жүргізіледі. Дислокация қозғалысы
үлгінің макропластикалық деформациясын келтіруі мүмкін, ол сырғанау немесе
қосарлану жолымен жүргізіледі. Бұл қозғалыстың соңы кристалдың бөлек
бөлшектерінің бірі-бірімен салыстырмалы сырғуы немесе сырғу бағытына қарай
бұрыштап үлгінің бөлек учаскелерінде атомдық қатардың бұрылуы немесе жылжуы
болып табылады.
Көп жағдайда металдар мен қорытпалар сырғанау жолымен
деформацияланады. Элементар күйде кристалдың бір бөлігінің сырғу механизмін
басқасына салыстырмалы түрде, кристалл еніне тең дислокацияның оның үстінен
жүріп өтудің нәтижесі деп алуға болады (3.1-сур.). Қозғалатын дисокация
мөлшері неғұрлым үлкен және оардың суммалық орын ауыстыру жолы ұзынырақ
болса, момнопластикалық деформация шамасы соғұрлым үлкен.
а- кристалдағы бүйір дислокация; б-тордағы дислокация бір атом
аралық ара қашықтыққа орын ауыстырған;
в-дислокацияның бетке шығуы және сырғудың пайда болуы
3.1-сурет- Жоғарғы жарты бөліктің төменгімен салыстырғанда бүйір
дислокацияның жүріп өтуі нәтижесіндегі сырғанау схемасы
Салыстырмалы сырғу g шамасы мынаған тең:
g=ρ·b·l,
мұндағы, ρ – дислокация тығыздығы;
b –Бюргерс векторы;
l – жақты (краевой) дислокацияның зырғанау ұзындығы.
Бюргерс векторы – мера искажений решётки, обусловленных присутствием
дислокаций.
Реалды металдар мен қорытпаларда деформация басталғанға дейін әр
түрлі типті көптеген дислокациялар болады. берілген кернеудің әсерінен
жаңа дислокация түзетін олардың әр түрлі көздері жұмыс істей бастайды.
Қозғалыстағы дислокациялар үлгінің бетіне шығады оның ішінде бір-бірімен
әрекеттеседі: реакцияға түседі, тежеледі, айқасулар түзеді. Платикалық
деформация материалдың құрылымымен, құрамымен және оны деформациялау
шарттарына байланысты. Пластикалық деформацияны эксперименталды түрде екі
әдіспен талдайды: 1) беті полирленген микроскопиялық талдау, деформация
нәтижесінжде ерекше сырғанау түзулер және сырғанау жолақтары пайда
болады; 2) дифракциондық электрондық микроскопия әдісі, деформацияланған
үлгілерден кесіліп алынған жұқа фольгаларды пайдалану арқылы.
Сырғанау түзулері – дислокацияның шығуы нәтижесінде үлгі бетінде
түзілген сатылар. Мысалы, жақтық (краевая) дислокация кристалл қырына
шыққан кезде, осы қырдың бетінде саты түзіледі, ол биіктігі бойынша Бюргерс
дислокациясывекторына h тең. Бұл кезде стаылар, яғни, сырғанау түзулері
жақтық (краевой) дислокация бетіне шыққан ұзындыққа тең болады (9-сурет).
Бір ұшымен жалпақ бетке шыққан винттік дислокация өзінің қозғалысы кезінде
дислокацияның жүрісі ұзындығына тең болатын саты түзеді. Бір жазықтықта
сырғудан кейін бірнеше дислокация шыққан кезде h саты биіктігі ~10 A және
одан жоғары, оларды электрондық микроскопиялық талдау кезінде алдын ала
полирленген бетті деформацияланғанүлгі репликасында байқауға болады.
Реплика – электрондар үшін жұқа, жылтыр пленка (мысалы, бұрыштық). Ол үлгі
бетіне жағылған және өте жұқа көшірілетін оның рельефі. Электрондар шоғырын
түсірген кезде қалыңдықтарымен ерекшеленетін репликаның әр түрлі учаскелері
контрасттың әр түрлі бейнесін береді, осыдан, сырғанау түзулерін байқауға
болады. біраз деформациядан кейін сатылар биіктігінің үлкенболатындығы
соншалық, оларды жарық микроскопының көмегімен де көруге болады.
Сырғанау түзулерінің орналасуын, олардың арақашықтықтарын,
биіктіктерін талдай отырып, пластикалық деформация туралы сапалық, сол
сияқты, мөлшерлі (количественный) талдау жасауға болады. талданатын үлгі
бетінің кристаллографиялық болжамын (ориентировка) біле отырып, түзудің
сырғанау бағыты бойынша, сырғанау жазықтықтығы мен бағытын анықтайды.
Деформация алдында үлгі бетінен сырғанау түзуінің таралу бейнесін исказить
етуге қабілетті тотықтырғыш пленкадан тазартылуы керек.
Дифракциондық электрондық микроскопия әдісі бөлек дислокацияларды
байқауға, оларды Бюргерс векторын және кристаллографиялық сырғыуын
анықтауға, әр түрлі деформациялану кезеңінде дислокациялық құрылым
сипаттамаларын бағалауға мүмкіндік береді.
3.2-сурет- Бетке бүйір дислокациялар шығуы кезіндегі сатылардың түзілуі
Сырғанау түзу әдісі, әсіресе жарық микроскопын пайдаланғанда қарапайым
әдіс болып табылады. Ол әдістің көмегімен тек беттің кұрылымын талдап
тексереді. Сол сияқты осы әдістің көмегімен төменгі температурада
кристалдардағы сырғу мен сырғанау кристаллографиялық жазықтықтар мен
бағыттардың әрбір торлы түрі үшін белгілі бойлықпен жүретіні анықталады.
Сырғанау бағыты қашан да өзінің сырғанау жазықтығында жатады. Олардың
жиынтықты сырғанау жүйесі болады. Металдарда бір уақыт ішінде бір немесе
бірнеше сырғанау жүйесі болуы мүмкін, алайда бұл жүйелердің барлығы, әрбір
металл және белгілі тор түрі үшін сипатталатын бір-екі кристаллографиялық
бағдарға жатқызылады.
Қосарланып деформациялану сырғу қандай да себептерден қиындаған кезд
болады. Көбінесе, қосарлану төменгі температурада және жоғары жылдамдықты
деформация кезінде, әсіресе ҚЦК және КЦК торлы кристалдарда байқалады. Таза
ҚЦК торлы металдарда қосарланып дефомациялану теріс температура және жоғары
жылдамдықты деформация кезінде жүреді.
Созу кезінде үлгіні макро алыстату схемасы 3.3-суретте келтірілген.
Мұнда қосарлану кезінде кристалдың бір бөлшегінің сырғуы екіншісіне
салыстырмалы түрде белгілі жазықтық пен қосарлану бағыты юойымен жүреді.
Қосарлану жазықтығы деп бастапқы кристалмен салыстырғанда қосарланудың
түзілу симметриясы жазықтығы болып табылатын кіші индексті
кристаллографиялық жазықтықты айтады.
Жарық және электрондық микроскоптарда металлографиялық зерттеу кезіңде
деформацияның әрбір қоспағы екі параллель жолақ түрінде көрінеді (сынық,
шлиф немесе оның айқасу іздері). Деформациялар қоспағы жолақтарың енінің
өте кішілігімен ерекшеленеді (әсіресе, КЦК металдарда 5 мкм-ден төмен) және
шеттерінде жіңішкеруге бейім. Поликристалдарда қоспақтар кейде ешқашан бір
кристалдан екіншісіне ауыспайды. Әдетте олар дәнекше ішінде аяқталады, ал
егер шекараға дейін жетсе, онда осы түйіскен жердегі пайда болған кернеулер
басқа бағдарда болатын көрші дәнекше қоспақтың пайда болуына әкеледі.
Қоспақ шекарасы жоғары температуралық күйдіруден кейін де жоғарғы
тұрақтылықты сақтай отырып салыстырмалы төменгі энергияға ие болады.
3.3-сурет-Қосарланып пластикалық деформациялану схемасы
Орама ақауының энергиясы неғұрлым аз болса, тор түрлері бірдей қандай
да металда қоспақтардың түзілу ықтималдығы жоғары болады.
Қоспақтардың өсуіне қажетті кернеулер көбінесе сығанау үшін кажетті
кернеулерден жоғары болады. Сондықтан тек қосарланып деформациялану сирек
байқалады. Әдетте ол сырғанау жолымен, одан әрі сырғанау қиындаса,
кернеудің белгілі деңгейіне жетумен басталады. Керісінше, егер базистік
сырғанау үшін қолайсыз бағдарланса, оның деформациясы қосарланудан
басталады. Бұл кезде сырғанау жазықтықтарының бағдары әрі қарай деформация
сырғанаумен жүргізілетіндей болып ауысуы мүмкін.
Әдетте қосарлану соншалық қалдық деформацияның болуына әкеп соқпайды.
Сондықтан тек қосарлану жолымен деформацияланатын металдардың (мысалы,
висмут, сурьма) пластиналылығы төмен.
Кейбір факторлардың сырғанаумен пластикалық деформациялану бейнесіне
әсерін қарастырамыз. Орама ақауы энергиясының ұлғаюы дислокация ыдырауын
қиындатады, бөлшек ддислокациялары араларындағы орама ақауының жолақтарының
енін кішірейтеді. Бұл винттік дислокацияның көлденең сырғанауын
жеңілдетеді. Орама ақауының энергиясы неғұрлым үлкен болса, соғұрлым
көлденең сырғанаудың қарқынды жүруі ертерек басталады да, дислокациялар әр
түрлі кедергілерден тез өтеді.
Нәтижесінде пластикалық ағын негізінен көлденең сырғанау қарқынды
жүргізілген жағдайда іске асырылады. Орама ақауының жоғары энериясы Al (ҚЦК-
торлы) және КЦК-торлы (Cu, Fg, Au) металдарда болады (3.1-кесте).
Металл құрылымынан басқа (металл түрі, ақау жолағыны ені, моно немесе
поликристалл) пластикалық деформация бейнесіне деформация жүргізілетін
жағдайлар үлкен әсер етеді.
3.1-кесте-γ таза металдардың орама энергиясы шамасы
Кристалдық торМеталл γ, эргсм2 Кристалдық тор Металл γ, эргсм2
түрі 1 эргсм2= түрі 1 эргсм2=
=1МДжм2 =1 МДжм2
Қ. ц. к. Ag 10...40 Г. Т. о. Zn 30...150
Au 20...60 Mg 170...250
Pb 20...50 Re 180
Cu 30...150
Pt 95...120
Ni 150...450
Al 250
К. ц. к. V 100
Ta 110
α-Fe 140
Cr 300
Mo 300
W 300
3.2 Металдарды деформациялық беріктендіру
Үлгі деформациясы үздіксіз жалғастыру үшін оған әсер ететін кернеуді
тұрақты түрде өсіріп отыру керек. Осы құбылыс деформациялық беріктендіру
деп аталады. Ол тек пластикалық деформация жүрісінде ғана байқалады.
Бастапқы суық деформациядан кейін материалдың беріктік сипаттамалары
(наклеп) артады. Деформациялық беріктендіру дислокацияның тежелеуімен
негізделеді. Материалдағы дислокацияның орын ауыстыруы неғұрлым қиын болса,
деформациялық беріктендіру коэффиценті (модулі) соғұрлым жоғары –
деформация бойынша кернеудың туындысы. Сынақ жүргізу процесінде бұл
коэффицент өзгереді. Және оның өзгеруі ең соңында созу диаграммасының
геометриясын анықтайды. Деформациялық беріктендіру заңдылықтарын қатаң
талдау үшін шынайы кернеу (S немесе t) - деформация (e немесе g)
координаталарында қисық сызықтарды пайдалану керек. Металдардағы
пластикалық деформация белгілі жазықтықтарда жанама кернеулердің ықпалымен
белгілі жазықтықтарда дислокацияның қозғалуымен іске асырылатын
болғандықтан t – g қисық сызықтарын тұрғызған дұрысырақ. Сырғудың
келтірілген кернеуі:
tп=S·cosθ·cosγ,
мұндағы, θ –сырғанау жазықтығындағы нормаль мен созу осі аралығындағы
бұрыш;
γ –сырғанау бағыты мен созу осі аралығындағы бұрыш.
cosθ·cosγ туындысы бағдар факторын анықтайды: берілген созу жүктеуі
кезінде берілген сырғанау жүйесінде ол неғұрлым кіші болса, жанама кернеу
соғұрлым төмен.
Созу осі сырғанау бетіне перпендикуояр болғанда (γ=900) немесе оған
(θ=900), егер θ=γ=450 болған кезде, tп=0. tmax.
Сырғудың келтірілген деформациясы мына формуламен табылады:
gп=(cosθ0)-1{[(lкl0)2-sin2γ0]12-c osγ0},
мұндағы, θ0 и γ0 – бастапқы деформация кезіндегі θ және γ шамасы;
lк жәнеl0 – ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz