Механическое поведение конструкционных материалов

И. РЕСЛЕР, Х. ХАРДЕРС, М. БЕКЕР

2011

МЕХАНИЧЕСКОЕ 
ПОВЕДЕНИЕ 
КОНСТРУКЦИОННЫХ 
МАТЕРИАЛОВ

Перевод с немецкого
под редакцией С. Л. Баженова

И. Реслер, Х. Хардерс, М. Бекер
Механическое поведение конструкционных материалов. Пер. с нем.:
Учебное пособие / И. Реслер, Х. Хардерс, М. Бекер – Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2011. – 504 с.
ISBN 9785915590815

Книга, созданная известными немецкими специалистами из технического университета Брауншвейга, знакомит читателя с поведением металлов, полимеров, керамик и композиционных материалов под действием механической нагрузки. Рассмотрен широкий круг тем, начиная от методов механических испытаний и описания упругих характеристик и пластичности материалов, и кончая дислокационной
теорией деформирования металлов. Описано поведение материалов при циклическом нагружении, при воздействии повышенной температуры, высокой скорости нагружения и других воздействиях.
Это прекрасный учебник «для первого чтения», описывающий механическое поведение материалов. С одной стороны, авторам удалось избежать сползания в излишне сложную математику, а с другой – в элементарное перечисление различных
материалов и механических явлений.
Учебное пособие будет полезно студентам и преподавателям материаловедческих и машиностроительных специальностей, инженерамисследователям и разработчикам.

ISBN 9785915590815
ISBN 9783835102408 (нем.)
© 2008, Vieweg+Teubner    GWV Fachverlage
GmbH, Wiesbaden
© 2011, ООО Издательский Дом «Интеллект»,
перевод на русский язык, оригиналмакет,
оформление

 sорбиталь
рорбитали

dорбитали

a
б

в


!"!#$

Переходные металлы

Благородные газы

Металл
Переходный
элемент
Неметалл

!"#
$%"!
$&$'($%)'
#*#
+,-.
$/012$%%& &%'

а
б
в

г
д
е
ж

з
и
к
л

м
н
о

а
б

а
б

ГПУрешетка

ГЦКрешетка

а

б

()*%+'

0,1 мм
мкм

а
б

((*",,!"!#$

(*,,!"!#$

((-.*$,!"!#$

(/,01%0$*"'"!#(2*1*%*1,!"!#$

(3%!%& &%%+4+%*"

(5+*%6,'%++%'

/)/+!%& &%.*+%*"

Углерод
Водород

/%& &%.*+%*"

!!"#"$%#&"#%'$()*+ ,, -.



а
б

а
б

100 мкм

Нормальное
напряжение
Сдвиговое
напряжение
Смешанное
напряжение

а
б
в

!"#Нормальная сила
Сдвиговая сила

а
б


$%&'%(&)*)/!)./0


(+,--,!./!"#0(*-,/!"#"!,!!123,-453

!!"#$%

 &'"#$%&'(%)*+,
()и

Kарбид титана,
= 0,88
А

a

Вольфрам,
= 1,00
А

б

Алюминий,
= 1,23
А

в

Kремний,
= 1,57
А

г

Золото,
= 1,89
А

д

-Железо,
= 2,13
А

e

Никель,
= 2,50
А

ж

Медь,
= 3,22
А

з

*+,)-./*+,)0.1,21)34215'4+.647

20 °С
а
200 °С
б
400 °С
в

Стенка
лопасти

Внешняя
поверхность

Внутренняя
поверхность

а
б

86-/4+40)4,.+!,9/.0'!6:!),!;2+; 6 . 8 .
</=4/4,/.-2+//.-'4>,0.?

 '.;,.009/.),-=4/4@'4>,0.?<+AB@ACDp ,

,
,

Рассеянная энергия

Упругое поведение

Линия, параллельная
упругой части диаграммы

Разгрузка
Повторное
нагружение

.AB@ACD
Захват

Захват

Образец

Острые кромки
экстензометра
(датчика деформации)

пл

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

5 мм
5 мм

.D%B@ACD!"##$%&
+4,-)6.2+3/2+<11%


ср

Предел текучести

Предел текучести

Предел текучести

Предел текучести

Текучесть не наступает
a
Наступает
б
текучесть

1%

)%!

)E
%
+84,'2+:

<?%A%%

ср
Растяжение

Сжатие

а
б

,.*,!F4/40.+4,.68

<2A%%мкм

2мкм

Предел текучести
по Треска
Предел текучести
по Треска

Предел текучести
по Треска
Предел текучести
по Треска

Скол

Скол

а
б

ск
ск

1; 6 . 8 .
<1G>>?4/+
1/?4/+,.?/.),-=4/
),.86/47H4,.

,.2+-=4/4H,.*?82/.',4*0

а
б

; 6 . 8 .
<884'4/48045./1!,.*,!F4/а
б

в
г

<<A6/47/.-045./1.,.*,!F4/<)B%Iа
б

, мм

, мм

, мм

мм

, МПа

GI а
б

Анализируется только половина плоскости

Состояние 1. Трещина закрыта
Состояние 2. Трещина раскрыта

!"#$!!$%!$%&'()$*+,
)
!Плосконапряженное состояние

Плоскодеформационное состояние

Плосконапряженное состояние

Зона пластичности

!"# !$%&'()('*+(,,-,.


/0,,.,1,1,кр

R

Зона
пластичности
Зона
пластичности
Зона
пластичности

21,,/
313-1.,-,345

!"

Контур
Бюргерса

Контур
Бюргерса

Линия дислокации

Линия дислокации

a

б

Дислокация
Конец

Деформированный объем
Контур Бюргерса

Линия дислокации

Линия дислокации

Винтовая
дислокация

Краевая дислокация

#$%&'$()*'!, МПа

, МПа

, МПа

ср, МПа

, нм
, нм

, нм
, нм

, нм
, нм

, нм
, нм

+(%&'&!"


Исходное состояние
а
Первое направление скольжения
б

Второе направление скольжения
в

,-&./%&'$

Направление скольжения
Плоскость скольжения
Направление скольжения
Плоскость скольжения

До скольжения
а
После скольжения
б

Узлы решетки
а
Модель шаров
б

Четыре плоскости скольжения
в

а
б

а
б


0#-1&&' #$%&'&(2 



344!&'-&"# 

5* .&"-(&!"

67 #%&'&8#-1''2$!$ !"

 98&"-(:;<&' !
+=

+-&#.1&&#!&а
б


а
б


Препятствие

Плоскость
поперечного
скольжения

Плоскость
скольжения

Линия дислокации

+&#.1&-(#:&.&#!&++>#:-1'"&#&?+,&#&* '&

F
F
F

T
T
T

Предел текучести
?????? ?????????
?????? ?????????

???????
????

???????
????

???????
????

а
б
в

F

F
F

Начальная стадия
а
Шаг 1
б
Шаг 2
в

 +0&#&&1&'&!"

,@>7@AB,@&? '1&&:#1'&'&

!"#$
!!"#%&'()

,B#1'&'&2# '! .*&#&'

,+B#1'&'&# -(#&''.&2#:;<.3&.&'- .а
б

а
б

!
"##$%
&,,B#1'&'&&#'.1 -! .(-#"4 *мкм


#'!
()*+#,#-./0+!123.. мкм

мкм

,0B#1'&'&- &"

Т, °С

,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,

Вес

Расплав + твердый раствор Твердый
раствор Расплав

Твердый раствор
+
Расплав + твердый раствор Твердый раствор
(аустенит)
Твердый раствор
+
Упрочнение
Твердый
раствор
+ Fe C
3

Твердый
раствор
(феррит)
Твердый раствор
+ Fe C
3

мкм



C0@>=мкм

57@>@Исходный порошок
а
Промежуточная стадия
б
Окончательная стадия
в

5@>7@AD5*.&'&'&' # (&'$# #-# '&'$-#&<'Без частиц
а
С частицами
б

5* .&"-(&)&#&2(-#&<'

5+@## -#&( '&(&-(&'&-#&<'

Микротрещины
а
Ветвление трещины
б

Образование
микротрещин

Нагружение

Разгрузка

Рассеиваемая
энергия
5,E *("&#&?' #$%&'&.

До фазового перехода
а
После фазового перехода
б

Зона перехода
Зона перехода

Рассеиваемая
энергия

Нагружение

Разгрузка

Фазовый переход

50- )/'"#--#&<'C5#-1&"#--#&<'
(&# .1&?. -&#?

4#0'-#
5* !6-&0,-

5+7BF5+- --&"):7&-.#''+08*05* !
9,#-.:;!8!<&-.
C5+#-1&"#--#&<'C5++#&&&'&# .&-#(,

,

,

,

,

,

, МПа

 C5,Aконтр

контр)

50B@>@!"#
50B.&'/G&'&# *.&# &4&-(

!"#$#%

50(#--#&<'


50+@#-#&<'50,E *("&#&?500) (&'&-1'?1 -!

6E7=@6#!&#&!
Угол вращения
, °
Углерод
Водород

Энергия

6&.&# -:# -&( '$

6+&.&# -:# (&'$

67@@E@@6$'&(#&.&'6#&.&'' $* (.-/-&#.-( !$


6+BB=@6+B#:2&("-( -&#.-(

6+B#:2&("-( 3-.&#(&-1 -?.&#(

&'()***+,)),#,-,.6,=6,.#4'&-&#.-а

б

1—10 мкм

10—1000 мкм

10—100 нм
10—100 нм

а
б
в

Пластически
деформированная
область

а
б
в

ср

ср
Пластическое
течение

Трещины
серебра

6,-1'H#- 1&&-&#.-60AF@=60(G&'&-&.&# -:#-&( '$

60(G&'&-&&'#- 1'-а

б

в

Хлор
Углерод
Водород

6AFI/("--0%,
&((*1(*+)65AFа

б

в
г

C667=BIJD=A

9@AB94!$-:1 -!

94!$-:. -#!9BBA>@792#:%&'&(/('

а
б

Волокно Матрица

в

в

м

92#:%&'&&#&':$#'(' .

а
б

Волокно Матрица

в

в

м

9+7BF@79+-$%&'&.*- 
' '(&'&#&#('?('

9+&#&# #&&&'&' 2#:*.&%:. -#!&"(' .
9++#-# '&'&-#&<'(('-?.*- ?

9+,- --# *#:G&'$.*-(

9+0*#:G&'&#% -
9+*#:G&'&8#&&$&.&. -#!&"

9,@A@79,.*-.&#'". -#!&"

&(((+)***)23(".-##$$##4#5##-#%


а
б

 (()***3((,67)8 4$!

9,.*-.&- 1&". -#!&"


9,+.*-' '(&&# .1&". -#!C9,,K.*-Ламелла

Тропоколлаген

Гидроксиапатит

Волокно
Пучок волокон
Кость

Кровеносный
сосуд

Остеон

Пучок волокон

LAB73(122LB7BF@а
б

L7 #%&'&-#&<'мкм

L--#&<'M- $NNO

Пластическое
течение

в
б

а

е
д
г

Пластическое
течение

Пластическое
течение

мкм
20 мкм

а
б

L+'1 -&/'&# *#:G&'&

L+B@>@L,B@L,&#.1&$:- -/

L,@&? '1&$:- -/

L0BA>@7
LE@B=L-:- -'"-#&<'LH2# ..уст/

МПа/(г/см )

,

3

R cр/ ,
МПа/(г/см )
3

Титановые сплавы

Алюминиевые сплавы

Стали

уст
cр
R
=

L+$'&#&'&2' #$%&'$

CL,!&':- -#&#&.&''".-:&!

CL01&&("-( ' #$%&'$P&4#. !

CL2# .. - 2 (CL5BK7@Ia, МПа
a, МПа

, мм
, мм

,
,

Бесконечный
срок службы

Конечный
срок службы

а
б

, мм–1

,

,

,

,

,

,

,

,
ср

Пружинные стали

Чугун

Литейная сталь

Аустениты

Низкопрочные стали

Отпущенные стали

ср

,

R 0,2, МПа

, МПа

уст

уст, ср

отпущенный

отпущенный
отпущенный

отпущенный

 

!"#$%, ч
600 нм

а
б

&% '())*!"#$%+

Движение вакансии

Скольжение

Скольжение

Скольжение

Скольжение

Переползание

Переползание

Дислокация 1

Дислокация 2

,&--"!))*!"#$%+

.'+/$)$01)(2!$1$)

3&012242$5)!26$-1216)*

,7787Прежняя
граница
зерна

Зерно 1

Зерно 2

а
б

.89::Зерно 1

Зерно 2

а
б

Зерно 3

5 мкм

 !"#$%&$%#'()$*+,--.-/0123456"7
)+89$:)+
;<=

 !а
б

"#!$%&!'#!$$(!$)##!!"#$

!%! !!

&"'(#)**+,%"!!!  а
б
в

  




 




&
77,;7.7<777=&: 37;7:7&>7<7?7@7&79

!

;&:7Направление
а
Плоскость
б

;&:7A;7B

7::<;&B7B 
,C7&C&7"

#"77C:<77Векторное поле

Область 1
Область 2



B7
,D7
.D7::7=
3::7=>B7:77<7
Тело А
а
Тело В
б
Полость
в

$%

:7

:77<7&:77Ê í è ã è

     ï î  ì à ò å ð è à ë î â å ä å í è þ ,

        õ è ì è è ,  í à í î ò å õ í î ë î ã è ÿ ì

(в ы ш е д ш и е  в  2 0 0 9 / 2 0 1 0  г г . )

Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Г.
Ïîëèìåðíûå êîìïîçèöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïðî÷íîñòü è òåõíîëîãèè

Герман Р. Ïîðîøêîâàÿ ìåòàëëóðãèÿ îò À äî ß, пер. с англ.

Рамбиди Н.Г. Ñòðóêòóðà ïîëèìåðîâ – îò ìîëåêóë äî íàíîàíñàìáëåé

Реслер И., Хардес Х., Бекер М.
Ìåõàíè÷åñêîå ïîâåäåíèå êîíñòðóêöèîííûõ ìàòåðèàëîâ, пер. с нем.

Струк В.А., Пинчук Л.С., Мышкин Н.К., Гольдаде В.А., Витязь П.А.
Ìàòåðèàëîâåäåíèå â ìàøèíîñòðîåíèè è ïðîìûøëåííûõ òåõíîëîãèÿõ

Эшби М., Джонс Д.
Êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïîëíûé êóðñ, пер. с англ

ФранкКаменецкий Д.А. Îñíîâû ìàêðîêèíåòèêè.
Äèôôóçèÿ è òåïëîïåðåäà÷à â õèìè÷åñêîé êèíåòèêå, 4е изд.

Ролдугин В.И. Ôèçèêîõèìèÿ ïîâåðõíîñòè

Чоркендорф И., Наймонтсведрайт Дж.
Ñîâðåìåííûé êàòàëèç è õèìè÷åñêàÿ êèíåòèêà, пер. с англ

Уманский С.Я. Òåîðèÿ ýëåìåíòàðíûõ õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé

Миттова И.Я., Самойлов А.М.
Èñòîðèÿ õèìèè ñ äðåâíåéøèõ âðåìåí è äî êîíöà XX âåêà

Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Ôèçèêî-õèìè÷åñêèå îñíîâû ýëåêòðîõèìèè

Мюллер У. Ñòðóêòóðíàÿ íåîðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ, пер. с нем.

Эшби М., Джонс Д.
Êîíñòðóêöèîííûå ìàòåðèàëû. Ïîëíûé êóðñ, пер. с англ.

Леенсон И.А.
Êàê è ïî÷åìó ïðîèñõîäÿò õèìè÷åñêèå ðåàêöèè. Ýëåìåíòû õèìè÷åñêîé
òåðìîäèíàìèêè è êèíåòèêè

Марк Дж. и др.
Êàó÷óê è ðåçèíà. Íàóêà è òåõíîëîãèÿ, пер. с англ

Еремин В.В., Борщевский А.Я.
Õèìèÿ äëÿ ôèçèêîâ

Келсалл Р., Хамли И., Геогеган М.
Íàó÷íûå îñíîâû íàíîòåõíîëîãèé è íîâûå ïðèáîðû, пер. с англ.

Гросберг, А.Ю. Хохлов А.Р.
Ïîëèìåðû è áèîïîëèìåðû ñ òî÷êè çðåíèÿ ôèçèêè, пер. с англ

Фахльман Б.
Õèìèÿ íîâûõ ìàòåðèàëîâ è íàíîòåõíîëîãèè, пер. с англ

Рамбиди Н.Г.
Ñòðóêòóðà è ñâîéñòâà íàíîðàçìåðíûõ îáðàçîâàíèé.
Ðåàëèè íàíîòåõíîëîãèé  ñåãîäíÿøíåãî äíÿ

Полные  оглавления книг на сайте     w w w . i d i n t e l l e c t . r u