Реферат на тему “Вплив температури та фактору часу на механічні характеристики матеріалу”

МОСКОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені Н.Е.Баумана.

Кафедра РКТ 1 Реферат на тему

“Вплив температури та фактору часу на механічні характеристики матеріалу”Морозової Анастасії Володимирівни

Діапазон температур, в межах якого реально працюють конструкційні матеріали, виходить далеко за межі зазначених нормальних умов. Є конструкції, де матеріал знаходиться під дією надзвичайно високих температур, як, наприклад, оболонки камер повітряно-реактивних та ракетних двигунів. Є конструкції, де, навпаки, робочі температури виявляються низькими. Це елементи холодильних установок і резервуари, що містять зріджені гази.

У широких межах змінюються також швидкості навантаження, і час дії зовнішніх сил. Існують навантаження, що дуже повільно змінюються і швидко змінюються. Є навантаження, що діють роками, а є такі, час дії яких обчислюється мільйонними частками секунди.

Відомо, що залежно від зазначених причин механічні характеристики матеріалів будуть проявлятися по-різному.

Узагальнюючий аналіз властивостей матеріалу з урахуванням температури та часу виявляється дуже складним і не вкладається у прості експериментально отримані криві, подібні до діаграм розтягування. Функціональна залежність між чотирма параметрами σ, ε, температурою t 0 та часом t

не є однозначною і містить у складному вигляді диференціальні та інтегральні співвідношення вхідних до неї величин.

Так як у загальному вигляді аналітичний або графічний опис зазначеної функції дати не вдається, вплив температури і фактора часурозглядається в даний час стосовно приватних класів завдань. Розподіл на класи проводиться переважно за типом діючих зовнішніх сил. Розрізняють навантаження, що повільно змінюються, швидко і дуже швидко змінюються.

Основними, що вивчаються в опорі матеріалів, є навантаження, що повільно змінюються, або статичні. Швидкість зміни цих навантажень у часі настільки мала, що кінетична енергія, яку отримують частинки деформованого тіла, що переміщуються, становить мізерно малу частку від роботи зовнішніх сил. Інакше кажучи, робота зовнішніх сил перетворюється тільки на пружну потенційну енергію, а також на незворотну теплову енергію, пов'язану з пластичними деформаціями тіла. Випробування матеріалів у про нормальних умов відбувається під впливом статичних навантажень.

Якщо вести випробування на розтяг при різних температурах зразка, залишаючись у межах «нормальних» швидкостей деформації (dε∕dt=0.01÷3 1/хв), то можна в певному інтервалі отримати залежність механічних характеристик від температури. Ця залежність обумовлена температурною зміною внутрішньокристалічних та міжкристалічних зв'язків, а в деяких випадках і структурними змінами матеріалу.

На рис.1 показана залежність від температури модуля пружності Е, межі плинності σтр, межі міцності σвр і подовження при розриві δ для маловуглецевої сталі в інтервалі 0-500 ° С. Як видно з наведених кривих, модуль пружності в межах зміни температури до 300 ° З практично не змінюється. Суттєвіші зміни зазнають величина σвр і, особливо, δ, причому має місце, як кажуть, «хрущування» сталі — подовження при розриві зменшується. При подальшому збільшенні температури пластичні властивості сталівідновлюються, а показники міцності швидко падають.

р іс. 1

Явище «крихкання» при підвищених температурах властиве переважно маловуглецевої сталі. Леговані сталі і кольорові сплави при підвищенні температури виявляють переважно монотонне зростання і таке ж монотонне зниження σтр і σвр. На рис. 2 показані відповідні криві для хромомарганцевої сталі марки ЗОХГСА.

Що температура, тим важче визначити механічні характеристики матеріалу. Відбувається це не тільки тому, що зростають складнощі в техніці експерименту, але також через те, що самі характеристики стають менш певними. При статичному навантаженні, починаючи з деяких значень температур, різко позначається фактор часу. Для одних матеріалів це відбувається за більш низьких, для інших – за більш високих температур. Вплив чинника часу можна знайти і за нормальних температурах. Однак для металів його впливом можна знехтувати. Для деяких органічних матеріалів навіть при низьких температурах час навантаження і випробування істотно позначається на визначених характеристиках. Зміна в часі деформацій і напруг, що виникають у навантаженій деталі, зветься повзучістю. Приватним проявом повзучості є зростання незворотних деформацій за постійної напруги. Це явище називається післядії. Наочною ілюстрацією післядії може бути збільшення розмірів диска і лопаток газової турбіни, що знаходяться під впливом великих відцентрових сил і високих температур. Це збільшення розмірів необоротне і проявляється зазвичай після багатьох годин роботи двигуна.

Іншим приватним проявом властивостей повзучості є релаксація - мимовільнезміна у часі напруги при незмінній деформації. Релаксацію можна спостерігати, зокрема, на прикладі ослаблення затягування болтових з'єднань, що працюють за умов високих температур.

Експериментально найпростіше вивчається явище післядії. Якщо навантажити зразок постійно діючої силою (рис. 3) і слідкувати за зміною його довжини в умовах фіксованої температури, можна отримати діаграми післядії (рис. 4), що дають залежність деформації від часу за різних значень напруги σ.

р іс. 3

Як очевидно з цих кривих, наростання деформацій відбувається спочатку дуже швидко. Потім процес стабілізується та деформації збільшуються з постійною швидкістю. Згодом на зразку, як і при звичайному випробуванні, з'являється шийка. Незадовго до розриву відбувається швидке зростання місцевих деформацій внаслідок зменшення площі перерізу. За більш високих температур зміна деформацій у часі відбувається швидше. Для даного матеріалу можна за допомогою методів теорії повзучості перебудувати діаграми післядії діаграми релаксації. Останні, втім, можна отримати експериментально. Для цього, щоправда, потрібна складніша апаратура, оскільки необхідно, зберігаючи подовження зразка, заміряти зміни у величині розтягуючої сили.

Вид діаграм релаксації, що дають залежність напруги від часу, представлений на рис. 5. Основними механічними характеристиками матеріалу в умовах повзучості є межа тривалої міцності та межа повзучості.

Межею тривалої міцності називається відношення навантаження, при якій відбувається руйнування розтягнутого зразка через заданий проміжок часу до початкової площі перерізу.

ТакимТаким чином, межа тривалої міцності залежить від заданого проміжку часу до моменту руйнування. Останній вибирається рівним терміну служби деталі та змінюється в межах від десятків годин до сотень тисяч годин. Відповідно до такого широкого діапазону зміни часу змінюється і межа тривалої міцності. Зі збільшенням часу він, звісно, падає. Межею повзучості називається напруга, при якому пластична деформація за проміжок часу досягає заданої величини. Як бачимо, визначення межі повзучості необхідно задати інтервал часу (який визначається терміном служби деталі) і інтервал допустимих деформацій (який визначається умовами експлуатації деталі).

Межа тривалої міцності та межа повзучості сильно залежать від температури. Зі збільшенням температури вони, очевидно, зменшуються.

До оцінки цих навантажень є два підходи. З одного боку, навантаження вважається швидко змінюється, якщо вона викликає помітні швидкості частинок тіла, що деформується, причому настільки великі, що сумарна кінетична енергія рухомих мас становить вже значну частку від спільної роботи зовнішніх сил. З іншого боку, швидкість зміни навантаження може бути пов'язана зі швидкістю протікання пластичних деформацій. Навантаження може розглядатися як таке, що швидко змінюється, якщо за час навантаження тіла пластичні деформації не встигають утворитися повністю. Це помітно позначається на характері залежностей, що спостерігаються між деформаціями і напругами. Перший критерій в оцінці навантажень, що швидко змінюються, використовується в основному при аналізі питань коливань пружних тіл, другий — при вивченні механічних властивостей матеріалів у зв'язку з процесами швидкого деформування.

Оскільки при швидкому навантаженніутворення пластичних деформацій не встигає повністю завершитися, матеріал зі збільшенням швидкості деформації стає більш крихким і величина зменшується. Так як ковзання частинок зразка по похилих майданчиках утруднено, має дещо збільшитися руйнівне навантаження. Сказане ілюструється зіставленням діаграм розтягування при силах, що повільно і швидко змінюються (рис. 6).

Найбільш помітно впливає швидкість деформації при високих температурах. У нагрітому металі вже при порівняно невеликому збільшенні швидкості навантаження виявляється тенденція до збільшення σвр та зменшення δ.

Останнім з трьох видів навантажень, що розглядаються, є дуже швидко змінюються в часі навантаження. Швидкість їх зміни настільки велика, що робота зовнішніх сил майже повністю переходить у кінетичну енергію частинок тіла, що рухаються, а енергія пружних і пластичних деформацій виявляється порівняно малою.

Навантаження, що дуже швидко змінюються, виникають при ударі тіл, що рухаються зі швидкостями в кілька сотень метрів в секунду і вище. З цими навантаженнями доводиться мати справу при вивченні питань бронепробивності, при оцінці руйнівної дії вибухової хвилі, при дослідженні пробивної здатності міжпланетного пилу, що зустрічається на шляху космічного корабля.

Оскільки енергія деформації матеріалу за умов дуже великих швидкостей навантаження виявляється порівняно малою, то властивості матеріалу як твердого тіла мають у разі другорядне значення. На перший план виступають закони руху легко деформованого (майже рідкого) середовища, і особливу роль набувають питання фізичного стану та фізичних властивостей матеріалу в нових умовах. Таким чином, завдання, пов'язані з дуже великими швидкостяминавантаження, виходять за рамки опору матеріалів та опиняються у сфері питань фізики.