МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ К.И.САТПАЕВА
Институт машиностроения
Кафедра «Станкостроение, материаловедение и технология
машиностроительного производства»
«УТВЕРЖДАЮ»
директор института промышленной инженерии
им.А.Буркитбаева
_________________А.Т.Турдалиев
«___»___________________ 2013г.
ПРОГРАММА КУРСА (SYLLABUS)
По дисциплине "Физика прочности и пластичности"
для специальности 5В071000-«Материаловедение и технология новых
материалов»
Всего:
Кредита 3
Курс 2
Семестр 3
Лекций 30
Практические занятия – 15
Рубежный контроль (количество) - 1
СРС – 45
СРСП (аудиторных) – 45
Всего аудиторных часов - 90
Всего внеаудиторных часов – 45
Трудоемкость – 135
Экзамен – 3 семестр
Алматы 2013
Программа курса составлена старшим преподавателем, кандидатом технических наук
Дегтяревой А.С. Типовая учебная программа от 04.08.03. приказ № 528 Министерства образования и
науки РК
Рассмотрена на заседании кафедры «Станкостроение, материаловедение и технология
машиностроительного производства»
«___ »____________ 2005 г. Протокол №
Зав. кафедрой Сыздыкбеков Н.Т.
Одобрено методическим Советом института машиностроения«
«__»____________ 2005 г. Протокол №
Председатель Сергазиев М.Ж.
Сведения о преподавателе:
Старший преподаватель, кандидат технических наук Дегтярева А.С. – закончила Казахский
Государственный университет им. С.М. Кирова по специальности " Физика твердого тела.
Преподаватель физики". В 1987 г. в Ленинградском политехническом институте защитила
кандидатскую диссертацию по специальности " Металловедение и термическая обработка металлов".
В течение 25 лет работала в системе Академии наук в области металловедения и материаловедения.
Общий научно-педагогический стаж составляет более 30 лет, является автором двух типовых
программ по дисциплине ….., соавтором
Офис: кафедры ГМК – 61
Адрес: г. Алматы ул. Сатпаева 22
Тел.: 92-99-61
2
1 Структура рабочей программы
1.1 Цель дисциплины
Заключается в приобретении знаний по основным вопросам повышения пластических
и прочностных свойств конструкционных материалов различного назначения и применении
их на практике при разработке, планировании и организации технологических процессов
получения металлопродукции с заданными эксплуатационными и технико-экономическими
характеристиками.
1.2 Задача дисциплины.
Состоит в изучении физических основ процессов упрочнения и пластической
деформации конструкционных материалов при легировании, термическом и деформационном воздействии, а также принципов управления и оценки комплекса их свойств в
рамках макроскопических моделей прочности, пластичности и разрушения.
1.3 Пререквизиты: Физика, математика, химия.
1.4 Посреквизиты: Материаловедение, технология термической обработки, механические свойства материалов, физические свойства материалов.
2 Система оценки знаний
Распределение рейтинговых баллов по видам контроля
№
вариантов
Вид итогового
контроля
Экзамен
1
Виды контроля
Баллы
Итоговый контроль
Рубежный контроль
Текущий контроль
40
20
40
Календарный график сдачи всех видов контроля
по дисциплине «Физика прочности и пластичности»
Недели
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
Виды
Л1 Л2 Л2 Л3 Л3 Л4 Л4 Л5
Л5
Л6 Л6
контро
ля
Балл
3
2
3
3
3
3
3
3
3
3
3
Виды контроля: Л – практическая работа; РК - рубежный контроль.
12
Л7
13
Л7
14
Л8
15
Л8
РК
2
2
4
20
Студент допускается к сдаче итогового контроля при наличии суммарного рейтингового балла ≥
30. Итоговый контроль считается сданным в случае набора ≥ 20 баллов. Итоговая оценка по
дисциплине определяется по шкале (таблица 2).
Оценка занятий студентов
Оценка
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Неудовлетворительно
Буквенный
эквивалент
А
АВ+
В
ВС+
С
СD+
D
F
3
Рейтинговый
балл
( в процентах % )
95-100
90-94
85-89
80-84
75-79
70-74
65-69
60-64
55-59
50-54
0-49
В баллах
4
3,67
3,33
3,0
2,67
2,33
2,0
1,67
1,33
1,0
0
3.Содержание дисциплины
3.1 Распределение часов по видам занятий
Лекции
1
1 Предмет, цели и задачи дисциплины.
Физическая природа материалов, типы межатомной связи, их роль в формировании прочностных и
пластических свойств металлов и сплавов.
Прочность и пластичность, основные понятия и
определения. Деформация, виды деформаций.
Упругая деформация. закон Гука и модуль Юнга.
2
Практические
занятия
3
1
СРСП
4
СРС
5
3
3
2. Напряжение – фундаментальная характеристика прочностных свойств материалов. Схемы напряженного состояния Я.Б. Фридмана. Виды
прочности – конструкционная, кратковременная,
длительная, усталостная, жаропрочность. Методы
определения прочности. Критерии оценки прочностных свойств.
2
2
3
3
3. Теоретическая, реальная прочность твердых тел и разрушение с позиций мгновенного и
последовательного разрыва межатомных связей.
Хрупкое разрушение – катастрофическая потеря
прочности по Гриффитсу. Особенности хрупкого и
пластического разрушения материалов под нагрузкой.
1
4
3
3
5. Временная зависимость прочности твердых
тел. Жаропрочность и долговечность, физические
основы разупрочнения. Ползучесть и накопление
дефектов. Цикличность нагружения и прочность
материалов. Основные положения и факторы,
определяющие сопротивление усталости.
1
4
3
3
6. Физические, механические, технологические и структурные факторы создания высокопрочных состояний металлов и сплавов. Способы
повышения прочности при легировании. Твердорастворное упрочнение и упрочнение избыточными фазами.
1
3
3
7. Пластичность - критерий способности
матери-алов к деформируемости. Феноменология
процес-са. Упруго-вязкое тело Максвелла. Основы
меха-ники пластической деформации. Геометрия
плас-тических сдвигов. Истинные и условные
деформации. Диаграмма растяжения и деформационное упрочнение.
1
3
3
4. Классические теории прочности и
пластичности.
Силовые,
энергетические
и
деформационные критерии прочности. Теории
пластичности – деформационная пластического
течения. Законы пластической деформации.
4
4
8. Влияние температурно-скоростных режимов
деформации на показатели пластичности и
сопротивление деформированию металлов и
сплавов. Температурные аномалии пластичности
- зона тепловой хрупкости и хладноломкость.
Всего ( часов)
1
4
15
30
3
45
3
45
3.2 Содержание лабораторных работ
1.Статистические методы обработки результатов определения пластических и
прочностных свойств металлов и сплавов. Ознакомиться с законами изменения случайных
величин и законом Гаусса. Составить типовой алгоритм экспериментальных данных и
оценить ошибку измерений при разной величине доверительной вероятности.
2 Определение прочности, пластичности и склонности к деформационному
упрочнению. чистых металлов и сплавов при осадке. Приготовить опытные образцы
цилиндрической формы из чистых алюминия и свинца, а также сплавов на их основе,
замерить их начальные размеры. Измерить твердость по Роквеллу и осадить на
гидравлическом прессе с регистрацией усилий деформированию. Замерить конечные
размеры и твердость образцов после осадки. Обработать полученные результаты, сделать
обоснованные
выводы
о
взаимосвязи
между
прочностью,
пластичностью
(деформируемостью) образцов и способностью металлов и сплавов к деформационному
упрочнению.
3 Определение истинных и условных деформаций металлических материалов на
основе кинограмм растяжения. Провести измерение продольных и поперечных (в
минимальном сечении – шейке) размеров образцов и рассчитать их удлинение и сужение по
формулам относительной и истинной деформаций. Сравнить полученные результаты и
проанализировать их. при больших и малых удлинениях.
4. Построение кривых истинных напряжений течения сплавов при растяжении.
Используя машинные диаграммы растяжения с нанесенными на них метками
фотографирования образцов и регистрации нагрузок в данный момент, вычислить
переводные коэффициента, связывающие действительные размеры образцов с размерами их
на пленке. Определить истинные деформации, действующие нагрузки, рассчитать площади
поперечного сечения и истинные напряжения. Построить соответствующую кривую течения
и сравнить ее с машинной диаграммой. Провести анализ полученных результатов, сделать
выводы по проделанной работе.
5. Определение величин разных видов пластической деформации, условных и
истинных характеристик прочностных свойств. Разбить машинную диаграмму растяжения
на отдельные стадии и определить коэффициент упрочнения материала. Обозначить на ней
точки перехода от паразитной деформации к равномерной и локальной. Рассчитать
величину каждой из них. Объяснить какая деформация вносит максимальный вклад в общее
удлинение образца.
Установить характер связи между коэффициентом упрочнения
материала и его прочностными и пластическими свойствами.
6. Определение взаимосвязи между модулем упругости, тепловыми характеристиками
чистых металлов и энергией связи в кристаллической решетке. По таблицам изменения
механических и тепловых свойств построить графические зависимости между температурой
плавления металла и его физико-механическими свойствами, выявить основную тенденцию
изменений и отклонениями от нее, определить температурные области относительной
стабильности свойств. Оценить гомологическую температуру этих изменений.
7. Оценка долговечности материалов при программных циклах нагружения. На
стандартную кривую усталости нанести несколько величин переменных напряжений,
соответствующих перегрузкам, на основании чего построить линию повреждений. Показать,
что при переходе от низкого уровня напряжений к высокому гипотеза линейного
суммирования повреждений подтверждается, в обратном направлении - нет.
5
8.Определение прочности материалов и характера разрушения при ударном
нагружении. Продеформировать на копре образцы разного состава и рассчитать работу,
затраченную. на разрушение. Измерить угол загиба и установить связь между величиной
совершенной работы и деформацией.
9. Структурные превращения при пластической деформации двухфазных сплавов. На
примере алюминиево-цинкового сплава, прошедшего разную термообработку проанализировать характер структурных изменений в зависимости от температуры деформации и
исходной структуры материала.
3.3 Содержание самостоятельной работы студентов (СРС)
1. Экспериментальные методы определения концентрации напряжения. Излагается
существо основных методов, проанализируются достоинства и недостатки каждого их них.
2. Влияние вида обработки поверхности изделий на предел усталости материалов.
Устанавливается, что царапины и риски совершенно не сказываются на статической
прочности и оказываются губительными при действии переменных напряжений. Приводится
таблица экспериментальных результатов для гладкого и с царапиной образцов из стали 45.
3. Влияние масштабного эффекта на усредненные характеристики прочности
материала. Приводятся графики ориентировочной зависимости вероятности отсутствия
разрушений от уровня приложенных напряжений, а также плотности вероятности
разрушения для образцов разных объемов.
4. Схемы напряженных состояний и соответствующих деформаций Иллюстрируются
примеры их реализации в условиях линейного, плоского и объемного нагружения.
5. Диаграмма растяжения пластичной стали. Приводится подробный анализ
диаграммы растяжения на каждом участке и разбирается решение задачи о напряженном
состоянии в шейке растягиваемого образца. Вводится представление о суперпозиции в ходе
деформации двух противоположно действующих процессах – деформационном упрочнении
и геометрическом разупрочнении образца из-за его утонения.
6. Температурные аномалии пластичности. Рассматривается явление тепловой
хрупкости меди и сплавов на ее основе и способы борьбы с ним. Приводятся данные о
развитии эффекта сверхпластичности у мелкозернистых материалов и материалов,
претерпевающих структурные и фазовые превращения. дается представление о двух видах
сверхпластичности – мелкозернистой и превращения.
7. Сверхпластическая деформация металлов и сплавов. Рассматриваются
существующие модели сверпластической деформации (мелкозернистая или структурная,
превращения, предпревращения) и дается краткая характеристика каждой из них.
Анализируются возможности применения свехпластичных технологий.
8. Ресурс пластичности материалов. Излагаются существующие представления об
очаге деформации, локально деформированном объеме и повышенной пластичности
материалов при прокатке и осадке. Вскрываются резервы и возможности инициирования
пластичности металлов и сплавов.
9. Экспериментальная проверка условия возникновения пластических деформаций.
Приводятся результаты испытаний различных материалов на стандартных образцах в
условиях сложной схемы нагружения, показывающие, что реализация условий пластичности
в большей мере обеспечивается энергетическими условиями деформации, чем величиной
приложенных касательных напряжений.
10. Экспериментальная проверка основных гипотез упруго-пластических деформаций.
Проверяются условия выполнения законов постоянства объема деформируемых твердых тел,
независимости максимальной угловой деформации от типа напряженного состояния
материала и функциональной зависимости интенсивности напряжений от интенсивности
деформаций. Дается графическая иллюстрация доказательств.
11. Краткое содержание основных теорий течения пластичных материалов и их
экспериментальная проверка. Приводятся графики и диаграммы, полученные при сложных
схемах нагружения стандартных тонкостенных трубок, в соответствии с которыми показано,
что в действительности пластическая деформация реальных материалов в недостаточной
степени описывается существующими моделями и теориями.
6
12. Основные закономерности движения и роста трещин. Дается качественная
картина последовательности развития магистральной трещины через прохождение состояния
предельного равновесия и катастрофического роста при определенной величине
интенсивности напряжений.
13. Влияние способа получения материала (электроннолучевая плавка, вакуумнодуговая плавка, порошковая металлургия) лист и пруток на температурную зависимость
прочности. Приводятся графические зависимости и указывается температурный интервал
эксплуатации изделий из рассматриваемых материалов.
14. Твердость – как мера оценки прочностных свойств. Рассматриваются
температурные зависимости твердости металлов и сплавов, выделяются стадии их
изменения, проводится анализ приведенных результатов в сопоставлении со строением
диаграмм состояния соответствующих систем.
15. Условные и истинные пластические деформации. На примере растяжения и
сжатия до одних и тех же степеней опытных образцов иллюстрируется тот факт, что
физический смысл имеют истинные деформации, а их величина подчиняется закону
аддитивности.
3.4 Содержание самостоятельной работы студентов под руководством
преподавателя (СРСП)
1. Диаграммы упругопластического деформирования конструкционных материалов.
Строятся условные диаграммы растяжения различных металлов и сплавов, проводится их
анализ и определяются температурно-скоростные интервалы достаточной стабильности
упругопластических свойств.
2. Деформация полимеров. Рассматривается процесс деформации в условиях хрупкого
и пластичного деформирования в режиме ползучести и кратковременного нагружения.
Описываются особенности изменения прочностных свойств на стадии развитой деформации
перед разрушением.
3. Методы экспериментального исследования и описания закономерностей
пластического деформирования. На примере тонкостенного трубчатого образца из условия
постоянства объема рассчитываются величины условных радиальной и сдвиговой
деформаций.
4. Разрушение хрупких неметаллических материалов. Анализируется роль
поверхностных и внутренних дефектов в условиях отсутствия пластических деформаций.
Оценивается степень хрупкости разных материалов и зарисовывается форма поверхностей
разрушения
5. Условия прочности материалов элементов конструкций. Предельные состояния и
надежность конструкционных материалов. Строится кривая распределения предела
текучести стали в зависимости от разброса нормативных нагрузок. Оценивается отклонение
от расчетных значений.
6. Вязкоупругая деформация реальных материалов. Упругое прямое и обратное
последействие. Релаксация напряжений. Описывается происхождение и последовательность
неупругих процессов на стадии упругой деформации, а также их роль в формировании
пластических и прочностных свойств.
7. Эффект Баушингера. Дается графическая иллюстрация повышенной пластичности
металлических материалов после предварительной деформации противоположного
направления. Оценивается практическое значение неупругих явлений для снижения
опасности усталостного разрушения и подавления резонансных колебаний.
8. Сопротивление усталости в условиях концентрации напряжений и при различном
состоянии поверхности. Сравнивается поведение материала с концентратором напряжения в
условиях статического и усталостного нагружения. Приводится схематическое изображение
образцов с разными видами надрезов и соответствующие им усталостные кривые.
9. Причины возникновения хрупкого разрушения при циклических напряжениях.
Излагаются основные причины и анализируется вероятность перехода от усталостного
разрушения к хрупкому. Предлагаются меры предотвращения хрупкого разрушения.
7
10. Влияние остаточных напряжений на предел усталости. Показывается, что наличие
остаточных напряжений благотворно сказывается на повышении усталостной прочности
материалов и конструкций. Дается объяснение этому явлению.(Кишкин, 130-131)
11. Сопротивление материала усталости при ограниченной службе деталей и машин.
Показывается роль перегрузок в преждевременном повреждении материалов и дается оценка
его долговечности на основании гипотез о суммировании повреждений.
12. Статистическая природа усталостной прочности. Рассматривается влияние
структуры реального материала на величину долговечности. Показывается, что зарождение
усталостных трещин в значительной степени зависит от внутреннего строения материалов
(дефектов, межзеренных и межфазовых границ, ориентации кристаллов, выделившихся
частиц, включений и т.п.). Это приводит к статистическому характеру изменения
усталостных характеристик. Приводится диаграмма разброса (рассеяния) значений по
долговечности и по пределу усталости.
13. Влияние скорости и температуры на сопротивление пластической деформации.
Приводятся данные для ряда металлов и сплавов, в соответствии с которыми существует
предельная скорость нагружения, связанная с действием инерционного сопротивления.
Показывается, что его величина тем выше, чем больше плотность материала.
14. Энергетические представления о предельном равновесии трещин. Дается
графическое изображение идеализированной дискообразной трещины и действующих на
материал напряжений. С позиций совершаемой над образцом работы по закрытию трещины
выводится условие предельного равновесия.
15. Предельные состояния и надежность материалов и конструкций. Формируется
задача подбора необходимых материалов для исключения при наименьшей затрате средств
вероятности возникновения предельных состояний.
График проведения занятий
№
1
2.
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
Дата
Время
Наименование тем
Лекции
Значение и задачи курса “Прочность и пластичность. Основные
понятия и определения.
Напряжение. Виды, методы определения и критерии прочности.
Теоретическая и реальная прочность материалов.. Хрупкое
разрушение по Гриффитсу.
Классические теории прочности и пластичности. Критерии прочности
и законы пластической деформации.
Временные зависимости прочности. Жаропрочность и долговечность.
Способы повышения прочности при легировании. Создание
высокопрочных состояний.
Пластичность. Феноменология, механика и геометрия пластического
течения.
Температурно-скоростные зависимости и аномалии пластичности.
Тепловая хрупкость, хладноломкость и сверхпластичность.
Лабораторные занятия
Статистическая обработка результатов механических испытаний.
Определение прочности, пластичности и деформационного упрочнения при осадке.
Определение истинных и условных деформаций на основе кинограмм
растяжения.
Построение кривых истинных напряжений течения.
Расчет истинных и условных характеристик пластичности и
прочности при растяжении.
Определение связи между модулем упругости, тепловыми
свойствами и величиной межатомной связи.
Оценка долговечности материалов при циклическом нагружении.
8
7
8
Определение ударной вязкости и характера разрушения.
Структурные
превращения
при
пластической
деформации
двухфазных сплавов.
4 Учебно-методические материалы по дисциплине
Основная литература
1. Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов. Л.: Изд-во Ленингр.
ун-та, 1980. 173 с.
2. Мороз Л.С. Механика и физика деформаций и разрушения. Л.: Машиностроение,
1984. 224 с.
3.Владимиров В.И. Физическая теория пластичности и прочности. Л.: ПТИ им. М.И.
Калинина, 1973. 118 с.
4. Кишкин Б.П. Конструкционная прочность материалов. М.: Изд-во Моск. унта,1979. 1980.176 с.
Дополнительная литература
1. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности
конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1968. 188 с.
2. Регель.В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский.Э.Е. Кинетическая природа прочности
твердых тел. М.: Машиностроение, 1974. 560 с.
3. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.
4. Малинин И.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.:
Машиностроение, 1975. 399 с.
5. Пашков П.О. Пластичность и разрушение металлов. Л.: Судпромгиз, 1950. 259 с.
9
Содержание
1.
2
3
4
Структура рабочей программы (SYLLABUS)
Система оценки знаний
Содержание дисциплины
Учебно-методические материалы по дисциплине
10
3
3
4
9