2 декабря 2020

Группа 312

Предмет  :"Контроль качества сварочных соединений"

Тема занятия:"Напряжения и дефор

Напряжения и деформации

В процессе работы изделия и сооружения подвергаются различным силовым воздействиям (нагрузкам). Нагрузки различаются по величине, характеру приложения к телу, изменений во времени и направлений действия.

По характеру изменения во времени нагрузки могут быть статическими, динамическими и повторно-переменными:

• • статическая нагрузка — это однократно приложенная нагрузка, плавно и относительно медленно возрастающая от нуля до своей максимальной величины. Статические нагрузки подразделяют на постоянные и временные; последние могут быть подвижными и неподвижными (например, вес стеллажей и бункеров в складских помещениях);
• • динамическая (ударная) — однократно приложенная нагрузка, действующая на материал резко и с большой скоростью возрастающая от нуля до своей максимальной величины;
• • повторно-переменная — нагрузка, многократно прикладываемая к материалу. При этом скорости возрастания и убывания нагрузки могут быть различные.

По направлению действия различаются растягивающие, сжимающие, изгибающие, скручивающие и срезывающие нагрузки.

Растягивающими являются равные по величине нагрузки, приложенные к центрам тяжести концевых сечений прямолинейного бруса и направленные в противоположные друг от друга стороны вдоль главной оси бруса (рис. 1.1,6).

При прямо противоположном направлении сил Р нагрузки являются сжимающими (рис. 1.1, я).

Изгибающие нагрузки действуют перпендикулярно оси 00 в плоскости симметрии прямолинейного бруса (рис. 1.1,6). Изгиб возникает также, если брус находится под действием двух пар сил, расположенных в плоскости его продольной оси (рис. 1.1, е).

Скручивающие нагрузки — пара сил, т. е. две равные по абсолютному значению и противоположные по направлению параллельные силы, действующие в плоскостях поперечных сечений стержня (рис. 1.1, я).

Рис. 1.1. Схема действия сжимающих (а), растягивающих (б), скручивающих (в), срезывающих (г) и изгибающих (д, е) нагрузок

Срезывающие — это нагрузки, вызывающие скольжение (сдвиг) одних частей материала относительно других в плоскости сечения (рис. 1.1, г).

По характеру приложения к телу нагрузки бывают сосредоточенные и распределенные, а также объемные — распределенные по объему (объемный вес) и поверхностные — распределенные по поверхности или по заданной линии — линейно распределенные.

Сосредоточенные нагрузки прилагаются к очень малой площадке (точке).

Распределенные нагрузки прилагаются ко всей поверхности или ее части. Распределенная нагрузка постоянной интенсивности называется равномерно распределенной, а нагрузка, точки приложения которой заполняют всю площадь, — сплошной нагрузкой.

Под влиянием внешних воздействий (нагрузок, изменения температуры и др.) и различных внутренних физико-механических процессов в теле возникают внутренние механические силы (внутренние силы упругости). Внутренние силы, возникающие между частицами тела, оказывают сопротивление деформации.

Величины внутренних сил упругости, действующих в изделиях, измеряются напряжениями. Эти напряжения зависят от величины приложенных к телу сил (чем больше приложенные силы, тем больше возникающие напряжения) и от размеров тела (чем больше поперечное сечение тела, тем меньшее напряжение в нем возникает при приложении сил той же величины).

Таким образом, напряжение — это величина внутренних сил упругости, отнесенная к единице площади поперечного сечения тела.

Напряжения могут быть нормальными и касательными (рис. 1.2).

Сила Р, приложенная к некоторой площадке dF, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом а, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения.

Если напряжение действует перпендикулярно плоскости сечения тела, то оно называется нормальным и обозначается буквой а. Напряжение, действующее в плоскости сечения тела, называется касательным и обозначается буквой т. В зависимости от вида деформаций к этим буквам добавляют индексы: р — при растяжении, с — при сжатии, ср — при срезе или сдвиге, к — при кручении, и — при изгибе.

Для определения внутренних сил упругости по внешним силам применяют метод сечений, сущность которого состоит в том, что к брусу, находящемуся в равновесии, прилагаются некоторые внешние силы.

На рис. 1.3 показано определение внутренних сил методом сечений. На брус действуют растягивающие силы Р (рис. 1.3, а). Если брус мысленно рассечь плоскостью, перпендикулярной к его оси, и отбросить любую из его частей (рис. 1.3, б, в), то равновесие одной из частей сохранится только в случае приложения к ней внутренних сил N, заменяющих действие отброшенной части (рис. 1.3, г).

Затем, составляя и решая уравнения равновесия для сил, приложенных к оставшейся части, определяют искомые внутренние силы.

Рис. 1.2. Схема разложения напряжений на касательную и нормальную составляющие

Рис. 1.3. Определение внутренних сил методом сечений

В простейшем случае одноосного растяжения напряжения вычисляют по формуле 

где Р — сила, Н; F0 — начальная площадь поперечного сечения, м2; а — напряжение, МПа.

Действительными (рабочими) напряжениями считаются те, которые фактически будут иметь место.

Предельно опасные напряжения возникают, когда внутренние силы (силы молекулярного противодействия) достигли такой величины, при которой нарушается работоспособность детали в силу появления необратимых пластических деформаций (для пластичных металлов) либо разрушения (для хрупких металлов).

Допускаемые напряжения — это напряжения, обеспечивающие нормальную и безопасную работу изделий и конструкций, они в несколько раз меньше предельно опасных напряжений и характеризуются нормативным коэффициентом запаса прочности [я].

Таким образом, прочность любой детали обеспечена, если действительные напряжения меньше или равны допускаемым напряжениям.

Различают напряжения, возникающие под действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах данного тела без действия внешней нагрузки.

Образование внутренних напряжений связано в основном с неоднородным распределением деформаций по объему тела. Тепловые внутренние напряжения возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла из-за неодинакового расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев, фазовые или структурные — в процессе кристаллизации, при неравномерной деформации, термической обработке вследствие структурных превращений по объему и т. д.

Приложенные к телу внешние силы вызывают деформацию — изменение формы и размеров тела (или части тела) под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращениях и других воздействиях, вызывающих изменение положения частиц тела.

На появление того или иного вида деформации большое влияние оказывает характер приложенных к телу напряжений. Одни процессы деформации связаны с преобладающим действием касательной составляющей напряжения, другие — с действием его нормальной составляющей (см. рис. 1.2).

В твердых телах различают два основных вида деформаций — упругую и пластическую, физическая сущность которых различна.

Упругая (обратимая) деформация тела полностью устраняется после прекращения действия вызвавших ее сил (нагрузок), так как под действием приложенных сил происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. Поэтому после снятия нагрузки межатомные расстояния а тс восстанавливаются, смещенные атомы под действием сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры (рис. 1.4, а, б).

Процесс деформации под действием постепенно возрастающей нагрузки складывается из трех последовательно накладывающихся одна на другую стадий (рис. 1.5).

Даже незначительное по величине приложенное напряжение вызывает упругую деформацию и в чистом виде наблюдается только при напряжениях до точки А. Упругая деформация характеризуется прямо пропорциональной зависимостью от напряжения и упругим изменением размеров межатомных расстояний.

При некоторых значениях напряжений (выше точки А) начинается пластическая деформация в отдельных зернах металла.

Дальнейшее увеличение напряжений вызывает увеличение упругой и пластической (остаточной) деформации (участок АВ упругопластических деформаций).

При достижении напряжениями так называемого предела, или порога, упругости (около точки А) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Пластическая часть деформации остается.

Пластическая (остаточная, необратимая) деформация, остающаяся после снятия нагрузки, связана с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния и вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств без мак 

Рис. 1.4. Схематическое изображение действия нормальных растягивающих напряжений на кристаллическую решетку:

а — ненапряженный кристалл; б — упругие нормальные напряжения; в —разрушение путем отрыва

Рис. 1.5. Схема процесса деформации металла

роскопических нарушений сплошности металла (рис. 1.6). Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.

Скольжение — это смещение отдельных частей кристалла (одной части относительно другой), происходящие под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и направлении скольжения достигают определенной критической величины тк.

Двойникование — это перестройка при деформации части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к недеформи- рованной части кристалла относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования ММ (рис. 1.7, б).

В обоих случаях пластическая деформация происходит по определенным плоскостям и направлениям в кристаллической решетке.

Рис. 1.6. Схематическое изображение действия касательных напряжений на кристаллическую решетку:

а — ненапряженный кристалл; б — пластическая деформация

Рис. 1.7. Схема деформации: а — скольжением; б — двойникованием

Скольжение (сдвиг) в кристаллической решетке протекает по наиболее плотно усеянным атомами кристаллическим плоскостям и кристаллографическим направлениям, где величина сопротивления сдвигу тк наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, а связь между ними наименьшая.

В металлах, имеющих объемно-центрированную кубическую (ОЦК) решетку (рис. 1.8, а), такой плоскостью сдвига будет диагональная плоскость (рис. 1.9, а), в гранецентрированной кубической (ГЦК) решетке (рис. 1.8, б) — плоскость октаэдра (рис. 1.9, б), в гексагональной плотно упакованной (ГПУ) решетке (рис. 1.8, в) — плоскость базиса (рис. 1.9, в).

Рис. 1.8. Элементарные ячейки кристаллических решеток металлов:

а — объемно-центрированный куб; б — куб с центрированными гранями; в — гексагональная решетка, плотно упакованная

Рис. 1.9. Кристаллографические плоскости, по которым происходит сдвиг

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Однако сдвиг не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой сдвиг потребовал бы значительно больших напряжений, чем те, при которых в действительности протекает процесс деформации. Кристаллические решетки металлов имеют ряд дефектов, т. е. отклонений от правильного геометрического строения. Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты малы, их размеры во всех трех измерениях не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии, т. е. отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки.

Атомы, расположенные в узлах кристаллической решетки, находятся в непрерывном тепловом движении (колебании). Они могут оставаться в положении равновесия и перемещаться внутри кристаллической решетки, могут также переходить в междоузлие или на поверхность, а иногда покидать ее, испаряясь в окружающее пространство. В последнем случае принадлежащие этим атомам узлы окажутся свободными, т. е. возникнут тепловые вакансии. Это явление называется самодиффузией. Вышедший из равновесия атом называют дислоцированным (рис. 1.10, а), а оставшееся пустое место в узле кристаллической решетки — вакансией (рис. 1.10, б).

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки, они влияют на некоторые физические свойства (электропроводность, магнитные свойства и др.), а также на фазовые превращения металлов и сплавов.

К линейным несовершенствам кристаллической решетки относятся дислокации — дефекты, имеющие в двух измерениях размеры порядка атомных, а в третьем — большой размер, который может тянуться через весь кристалл.

Краевая дислокация представляет обособленное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.

На рис. 1.10, в показана схема расположения атомов у дислокации, образованной при сдвиге верхней части кристалла относительно нижней (вектор сдвига b) на одно межатомное расстояние, причем сдвиг охватил не всю плоскость скольжения, а только часть ее. Граница между участком, где скольжение уже произошло, и не-

Рис. 1.10. Точечные и линейные дефекты в кристаллической решетке:

а — дислоцированный атом в междоузлии; б — вакансия; в — схема расположения атомов у дислокаций; г — изменение формы зерна чистого металла в результате скольжения до деформации; д — после деформации

нарушенным участком в плоскости скольжения и будет дислокацией. Линия краевой дислокации перпендикулярна вектору сдвига и обозначается -у- или в зависимости от расположения экстраплоскости.

Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращений.

Вокруг дислокаций на протяжении нескольких мации, понятие и виды"