Выход (инжиниринг)

Явление деформации, вызванное структурным напряжением

Кривая зависимости деформации от напряжения, демонстрирующая типичное поведение текучести для цветных сплавов ( напряжение ,  , показано как функция деформации ,  ): ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle \epsilon }$

1. Истинный предел упругости
2. Предел пропорциональности
3. Предел упругости
4. Смещение предела текучести

В материаловедении и инженерии предел текучести — это точка на кривой напряжение-деформация , которая указывает на предел упругого поведения и начало пластического поведения. Ниже предела текучести материал будет деформироваться упруго и вернется к своей первоначальной форме, когда приложенное напряжение будет снято. После прохождения предела текучести некоторая часть деформации станет постоянной и необратимой и будет известна как пластическая деформация .

Предел текучести или предел текучести является свойством материала и представляет собой напряжение, соответствующее пределу текучести, при котором материал начинает пластически деформироваться. Предел текучести часто используется для определения максимально допустимой нагрузки в механическом компоненте, поскольку он представляет собой верхний предел сил, которые могут быть приложены без создания постоянной деформации. Для большинства металлов, таких как алюминий и холоднодеформированная сталь , наблюдается постепенное начало нелинейного поведения и нет точного предела текучести. В таком случае предел текучести смещения (или испытательное напряжение ) принимается как напряжение, при котором происходит 0,2% пластической деформации. Текучесть - это постепенный режим разрушения , который обычно не является катастрофическим , в отличие от окончательного разрушения .

Для пластичных материалов предел текучести обычно отличается от предельной прочности на растяжение , которая является несущей способностью для данного материала. Отношение предела текучести к предельной прочности на растяжение является важным параметром для таких применений, как сталь для трубопроводов , и было обнаружено, что оно пропорционально показателю деформационного упрочнения . ^[1]

В механике твердого тела предел текучести может быть определен в терминах трехмерных главных напряжений ( ) с поверхностью текучести или критерием текучести . Для различных материалов были разработаны различные критерии текучести. ${\displaystyle \sigma _{1},\sigma _{2},\sigma _{3}}$

Определения

Часто бывает трудно точно определить текучесть из-за большого разнообразия кривых напряжения-деформации, демонстрируемых реальными материалами. Кроме того, существует несколько возможных способов определения текучести: ^[10]

Истинный предел упругости

Наименьшее напряжение, при котором движутся дислокации . Это определение используется редко, поскольку дислокации движутся при очень низких напряжениях, и обнаружить такое движение очень сложно.

Предел пропорциональности

До этого значения напряжение пропорционально деформации ( закон Гука ), поэтому график зависимости деформации от напряжения представляет собой прямую линию, а градиент будет равен модулю упругости материала.

Предел упругости (предел текучести)

За пределами предела упругости произойдет постоянная деформация. Таким образом, предел упругости является самой низкой точкой напряжения, при которой может быть измерена постоянная деформация. Это требует ручной процедуры нагрузки-разгрузки, а точность критически зависит от используемого оборудования и навыков оператора. Для эластомеров , таких как резина, предел упругости намного больше предела пропорциональности. Кроме того, точные измерения деформации показали, что пластическая деформация начинается при очень низких напряжениях. ^{[11] [12]}

Предел текучести

Точка на кривой зависимости деформации от напряжения, в которой кривая выравнивается и начинается пластическая деформация. ^[13]

Смещение предела текучести (испытательный стресс )

Когда предел текучести нелегко определить на основе формы кривой напряжение-деформация, предел текучести смещения определяется произвольно. Значение для этого обычно устанавливается на уровне 0,1% или 0,2% пластической деформации. ^[14] Значение смещения указывается как нижний индекс, например, МПа или МПа. ^[15] Для большинства практических инженерных применений умножается на коэффициент безопасности, чтобы получить более низкое значение предела текучести смещения. Высокопрочные стали и алюминиевые сплавы не демонстрируют предела текучести, поэтому для этих материалов используется этот предел текучести смещения. ^[14] ${\displaystyle R_{\text{p0.1}}=310}$ ${\displaystyle R_{\text{p0.2}}=350}$ ${\displaystyle R_{\text{p0.2}}}$

Верхний и нижний пределы текучести

Некоторые металлы, такие как мягкая сталь , достигают верхнего предела текучести, прежде чем быстро упасть до нижнего предела текучести. Реакция материала линейна вплоть до верхнего предела текучести, но нижний предел текучести используется в структурной инженерии как консервативное значение. Если металл нагружен только до верхнего предела текучести и выше, могут развиться полосы Людерса . ^[16]

Использование в строительной инженерии

Податливые структуры имеют меньшую жесткость, что приводит к увеличению прогибов и снижению прочности на изгиб. Структура будет постоянно деформирована при снятии нагрузки и может иметь остаточные напряжения. Конструкционные металлы демонстрируют деформационное упрочнение, что означает, что предел текучести увеличивается после разгрузки из состояния текучести.

Тестирование

Испытание предела текучести заключается в том, что берут небольшой образец с фиксированной площадью поперечного сечения, а затем тянут его с контролируемой, постепенно увеличивающейся силой до тех пор, пока образец не изменит форму или не сломается. Это называется испытанием на растяжение. Продольная и/или поперечная деформация регистрируется с помощью механических или оптических экстензометров.

Твердость при вдавливании примерно линейно коррелирует с прочностью на растяжение для большинства сталей, но измерения на одном материале не могут использоваться в качестве шкалы для измерения прочности на другом. ^[17] Поэтому испытание на твердость может быть экономичной заменой испытаниям на растяжение, а также обеспечивать локальные изменения предела текучести из-за, например, сварки или операций формовки. В критических ситуациях испытание на растяжение часто проводится для устранения неоднозначности. Однако можно получить кривые напряжение-деформация с помощью процедур, основанных на вдавливании, при условии соблюдения определенных условий. Эти процедуры сгруппированы под термином Пластометрия при вдавливании .

Укрепление механизмов

Существует несколько способов, с помощью которых кристаллические материалы могут быть спроектированы для повышения их предела текучести. Изменяя плотность дислокаций, уровни примесей, размер зерна (в кристаллических материалах), предел текучести материала может быть точно настроен. Обычно это происходит путем введения дефектов, таких как дислокации примесей в материале. Чтобы переместить этот дефект (пластически деформируя или текучая материал), необходимо приложить большее напряжение. Таким образом, это вызывает более высокий предел текучести в материале. Хотя многие свойства материала зависят только от состава объемного материала, предел текучести также чрезвычайно чувствителен к обработке материалов.

Эти механизмы для кристаллических материалов включают в себя

• Деформационное упрочнение
• Упрочнение твердого раствора
• Усиление осадков
• Укрепление границ зерен

Деформационное упрочнение

Где деформация материала приведет к появлению дислокаций , что увеличит их плотность в материале. Это увеличит предел текучести материала, поскольку теперь для перемещения этих дислокаций через кристаллическую решетку необходимо приложить большее напряжение. Дислокации также могут взаимодействовать друг с другом, запутываясь.

Управляющая формула этого механизма такова:

${\displaystyle \Delta \sigma _{y}=Gb{\sqrt {\rho }}}$

где — предел текучести, G — модуль упругости при сдвиге, b — величина вектора Бюргерса , а — плотность дислокаций. ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \rho }$

Упрочнение твердого раствора

При легировании материала атомы примеси в низких концентрациях займут положение решетки непосредственно под дислокацией, например, непосредственно под дополнительным дефектом полуплоскости. Это снимает растягивающую деформацию непосредственно под дислокацией, заполняя это пустое пространство решетки атомом примеси.

Взаимосвязь этого механизма выглядит следующим образом:

${\displaystyle \Delta \tau =Gb{\sqrt {C_{s}}}\epsilon ^{\frac {3}{2}}}$

где — напряжение сдвига , связанное с пределом текучести, и оно такое же, как в приведенном выше примере, — концентрация растворенного вещества, а — деформация, вызванная в решетке из-за добавления примеси. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle C_{s}}$ ${\displaystyle \epsilon }$

Упрочнение частицами/преципитатами

Где наличие вторичной фазы увеличит предел текучести, блокируя движение дислокаций внутри кристалла. Линейный дефект, который при движении через матрицу будет прижиматься к небольшой частице или выделению материала. Дислокации могут перемещаться через эту частицу либо путем сдвига частицы, либо с помощью процесса, известного как изгиб или кольцевание, при котором вокруг частицы создается новое кольцо дислокаций.

Формула сдвига выглядит следующим образом:

${\displaystyle \Delta \tau ={\frac {r_{\text{particle}}}{l_{\text{interparticle}}}}\gamma _{\text{particle-matrix}}}$

и формула смычка/звона:

${\displaystyle \Delta \tau ={\frac {Gb}{l_{\text{interparticle}}-2r_{\text{particle}}}}}$

В этих формулах — радиус частицы, — поверхностное натяжение между матрицей и частицей, — расстояние между частицами. ${\displaystyle r_{\text{particle}}\,}$ ${\displaystyle \gamma _{\text{particle-matrix}}\,}$ ${\displaystyle l_{\text{interparticle}}\,}$

Укрепление границ зерен

Где накопление дислокаций на границе зерна вызывает отталкивающую силу между дислокациями. По мере уменьшения размера зерна отношение площади поверхности к объему зерна увеличивается, что позволяет большему накоплению дислокаций на границе зерна. Поскольку для перемещения дислокаций к другому зерну требуется много энергии, эти дислокации накапливаются вдоль границы и увеличивают предел текучести материала. Также известный как укрепление Холла-Петча, этот тип укрепления регулируется формулой:

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+kd^{-{\frac {1}{2}}}\,}$

где

${\displaystyle \sigma _{0}}$это напряжение, необходимое для перемещения дислокаций,

${\displaystyle k}$является материальной константой, и

${\displaystyle d}$размер зерна.

Теоретический предел текучести

Теоретический предел текучести идеального кристалла намного выше наблюдаемого напряжения при начале пластического течения. ^[18]

Тот факт, что экспериментально измеренный предел текучести значительно ниже ожидаемого теоретического значения, можно объяснить наличием дислокаций и дефектов в материалах. Действительно, было показано, что усы с идеальной монокристаллической структурой и бездефектными поверхностями демонстрируют предел текучести, приближающийся к теоретическому значению. Например, было показано, что наноусы меди подвергаются хрупкому разрушению при 1 ГПа ^[19] , что намного превышает прочность объемной меди и приближается к теоретическому значению.

Теоретический предел текучести можно оценить, рассмотрев процесс текучести на атомном уровне. В идеальном кристалле сдвиг приводит к смещению всей плоскости атомов на одно межатомное расстояние разделения, b, относительно плоскости ниже. Для того чтобы атомы сдвинулись, необходимо приложить значительную силу для преодоления энергии решетки и перемещения атомов в верхней плоскости над нижними атомами в новый узел решетки. Приложенное напряжение для преодоления сопротивления идеальной решетки сдвигу является теоретическим пределом текучести, τ _max .

Кривая смещения напряжения плоскости атомов изменяется синусоидально, поскольку напряжение достигает пика, когда атом надавливает на атом ниже, а затем падает, когда атом скользит в следующую точку решетки. ^[18]

${\displaystyle \tau =\tau _{\max }\sin \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)}$

где - межатомное расстояние разделения. Поскольку τ = G γ и dτ/dγ = G при малых деформациях (т.е. смещениях на одно атомное расстояние), это уравнение становится: ${\displaystyle b}$

${\displaystyle G={\frac {d\tau }{dx}}={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }\cos \left({\frac {2\pi x}{b}}\right)={\frac {2\pi }{b}}\tau _{\max }}$

Для малого смещения γ=x/a, где a — расстояние между атомами на плоскости скольжения, это можно переписать как:

${\displaystyle G={\frac {d\tau }{d\gamma }}={\frac {2\pi a}{b}}\tau _{\max }}$

Приняв значение τ _max равным: ${\displaystyle \tau _{\max }}$

${\displaystyle \tau _{\max }={\frac {Gb}{2\pi a}}}$

Теоретический предел текучести можно приблизительно оценить как . ${\displaystyle \tau _{\max }=G/30}$

Предел текучести удлинение (YPE)

Во время монотонного испытания на растяжение некоторые металлы, такие как отожженная сталь, демонстрируют отчетливый верхний предел текучести или задержку деформационного упрочнения. ^[20] Эти явления испытания на растяжение, при которых деформация увеличивается, но напряжение не увеличивается, как ожидалось, представляют собой два типа удлинения предела текучести.

Удлинение при пределе текучести (YPE) существенно влияет на пригодность стали к использованию. В контексте испытаний на растяжение и инженерной кривой напряжение-деформация предел текучести — это начальный уровень напряжения ниже максимального напряжения, при котором происходит увеличение деформации без увеличения напряжения. Эта характеристика типична для определенных материалов, что указывает на присутствие YPE. ^[20] Механизм YPE был связан с диффузией углерода, а точнее с атмосферами Коттрелла .

YPE может привести к таким проблемам, как разрывы катушек, разрывы кромок, гофрирование, растяжение и перегибы или складки катушек, которые могут повлиять как на эстетику, так и на плоскостность. Разрывы катушек и кромок могут возникнуть как во время первоначальной, так и последующей обработки клиентом, в то время как гофрирование и растяжение возникают во время формования. Перегибы катушек, поперечные гребни на последовательных внутренних обмотках катушки, вызваны процессом намотки. ^[20]

Когда эти условия нежелательны, важно, чтобы поставщики были проинформированы, чтобы предоставить соответствующие материалы. Наличие YPE зависит от химического состава и методов обработки на стане, таких как дрессировка или дрессировка, которые временно устраняют YPE и улучшают качество поверхности. Однако YPE может вернуться со временем из-за старения, которое обычно происходит при температуре 200-400 °C. ^[20]

Несмотря на свои недостатки, YPE предлагает преимущества в определенных применениях, таких как профилирование , и уменьшает пружинение . Как правило, сталь с YPE хорошо формуется. ^[20]

Смотрите также

• Пластичность (физика)
• Указанный минимальный предел текучести
• Предел прочности на растяжение
• Кривая доходности (физика)
• Поверхность текучести

Ссылки

1. Скейлс, М.; Корнута, Дж. А.; Свитцнер, Н.; Велоо, П. (1 декабря 2023 г.). «Автоматизированный расчет параметров деформационного упрочнения из данных о напряжении при растяжении и деформации для низкоуглеродистой стали, демонстрирующей удлинение при пределе текучести». Экспериментальные методы . 47 (6): 1311–1322. doi :10.1007/s40799-023-00626-4. ISSN  1747-1567.
2. "ussteel.com". Архивировано из оригинала 22 июня 2012 года . Получено 15 июня 2011 года .
3. ASTM A228-A228M-14
4. "complore.com". Архивировано из оригинала 19 июля 2011 года . Получено 10 сентября 2010 года .
5. Бир, Джонстон и Дьюольф 2001, стр. 746.
6. "Технические паспорта продукции UHMWPE". Архивировано из оригинала 14 октября 2011 г. Получено 18 августа 2010 г.
7. "unitex-deutschland.eu" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2012 г. . Получено 15 июня 2011 г. .
8. matweb.com
9. AM Howatson, PG Lund и JD Todd, «Инженерные таблицы и данные», стр. 41.
10. Г. Дитер, Механическая металлургия , McGraw-Hill, 1986
11. Флинн, Ричард А.; Троян, Пол К. (1975). Инженерные материалы и их применение. Бостон: Houghton Mifflin Company. стр. 61. ISBN 978-0-395-18916-0.
12. Барнс, Ховард (1999). «Предел текучести — обзор или „παντα ρει“ — все течет?». Журнал неньютоновской механики жидкости . 81 (1–2): 133–178. doi :10.1016/S0377-0257(98)00094-9.
13. Росс 1999, стр. 56.
14. Ross 1999, стр. 59.
15. ИСО 6892-1:2009
16. Дегармо, стр. 377.
17. Павлина, Э. Дж.; Ван Тайн, К. Дж. (2008). «Корреляция предела текучести и предела прочности на растяжение с твердостью для сталей». Журнал «Материалы и эксплуатационные характеристики» . 17 (6): 888–893. Bibcode : 2008JMEP...17..888P. doi : 10.1007/s11665-008-9225-5 . S2CID  135890256.
18. H., Courtney, Thomas (2005). Механическое поведение материалов . Waveland Press. ISBN 978-1577664253. OCLC  894800884.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
19. Рихтер, Гюнтер (2009). «Сверхпрочные монокристаллические нановискеры, выращенные методом физического осаждения из паровой фазы». Nano Letters . 9 (8): 3048–3052. Bibcode : 2009NanoL...9.3048R. CiteSeerX 10.1.1.702.1801 . doi : 10.1021/nl9015107. PMID  19637912. 
20. "Удлинение при пределе текучести (YPE) – за и против". www.baileymetalprocessing.com . Получено 16 июня 2024 г. .

Библиография

• Аваллоне, Юджин А. и Баумейстер III, Теодор (1996). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (8-е изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004997-0.
• Аваллоне, Юджин А.; Баумейстер, Теодор; Садег, Али; Маркс, Лайонел Симеон (2006). Стандартный справочник Марка для инженеров-механиков (11-е, иллюстрированное издание). McGraw-Hill Professional. ISBN 978-0-07-142867-5..
• Бир, Фердинанд П.; Джонстон, Э. Рассел; Дьюольф, Джон Т. (2001). Механика материалов (3-е изд.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-365935-0..
• Бореси, А. П., Шмидт, Р. Дж. и Сайдботтом, О. М. (1993). Advanced Mechanics of Materials , 5-е издание John Wiley & Sons. ISBN 0-471-55157-0 
• Дегармо, Э. Пол; Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Рональд А. (2003). Материалы и процессы в производстве (9-е изд.). Wiley. ISBN 978-0-471-65653-1..
• Оберг, Э., Джонс, Ф. Д. и Хортон, Х. Л. (1984). Справочник по машиностроению , 22-е издание. Industrial Press. ISBN 0-8311-1155-0 
• Росс, К. (1999). Механика твердого тела. Город: Albion/Horwood Pub. ISBN 978-1-898563-67-9.
• Шигли, Дж. Э. и Мишке, К. Р. (1989). Проектирование машиностроения , 5-е издание. McGraw Hill. ISBN 0-07-056899-5 
• Янг, Уоррен К. и Будинас, Ричард Г. (2002). Формулы Рорка для напряжения и деформации, 7-е издание . Нью-Йорк: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-072542-3.
• Справочник инженера