VII. Механические свойства металлов

1. Что такое конструкционная прочность и какие параметры используются для ее оценки?

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление к разрушению (пластичность, вязкость) а так же способность металла не разрушаться при наличии трещин.
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
1. Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера служб изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамическое испытание).
2. Критерий оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризует работоспособность материала в условиях эксплуатации.
Критерий конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
- критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость, разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.)
- критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т.д.)
3. Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натуральных и эксплуатационных испытаниях.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

2. Почему испытания на растяжение наиболее широко применяются по сравнению с другими видами испытаний?

Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установит несколько важных механических характеристик металла или сплава. Позволяет определить: модуль упругости, предел текучести, предел пропорциональности, временное сопротивление, относительное удлинение и сужение, деформационное упрочнение (наклеп) и коэффициент деформационного упрочнения.

3. В каких случаях применяют испытания на статический изгиб?

Для хрупких материалов широко применяются испытания на изгиб. Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образце, лежащей на двух опорах.

4. Какое практическое применение может найти вязкость разрушения К в конструкторских разработках?

Величина К_1с - вязкость разрушения - определяет способность металла (сплава) противостоять развитию трещины, поэтому нередко К_1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К_1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции, изготовляемой из этого материала. Критерий вязкости разрушения чаще используют для характеристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций.

5.Какими методами определяется порог хладноломкости и как можно использовать на практике знание температурного запаса вязкости?

Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцов для разных температур, затем строят кривую зависимости ударной вязкости от температуры испытания.

Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно четко различить по виду излома, порог нередко определяют по количеству волокна (В,%) матовой -волокнистой составляющей в изломе.
Количество волокна на изломе определяется как отношение площади волокнистого (вязкого) излома к первоначальному расчетному сечению образца. Далее строится сериальная кривая "процент волокна" - "температура испытания".
За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна t50, что примерно соответствует КСТ/2. Для ответственных деталей за критическую температуру хрупкости нередко принимают температуру, при которой в изломе имеется 90% волокна (t90), а ударная вязкость сохраняет высокое значение. Нередко определяю верхний t_В порог хладноломкости, который отвечает 90 % волокна и нижний t_Н, отвечающий10 % волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а сильно зависит от его структуры, условия испытания, наличия концентраторов напряжений, размера образца и т.д. Чем выше прочность, тем выше порог хладноломкости.
В случае определении надежности машин хладноломкость не включается в расчеты на прочность, а дается лишь общая рекомендация не применять материал при температурах ниже порога хладноломкости. Нужно учитывать, что с понижением температуры снижается и величина К_1с.

6. Какой образец будет иметь более высокий предел выносливости – шлифованный или полированный?

Дефекты на поверхности приводят к снижению сопротивлению усталости детали. Опытами установлено, что предел выносливости образцов с полированной поверхностью выше, чем у шлифованных.

7. Какие существуют методы упрочнения металлов?

Увеличение прочности (s_B,s_0,2) и сопротивления усталости (s_-1) металлов или сплавов при сохранении достаточно высокой пластичности (d,y), вязкости (KCU, KCT) и трещиностойкости (K1c)cповышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход материалов на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.
Увеличение прочности достигается созданием соответствующих композиций сплавов и технологии обработки. При этом происходит изменение состава и природы фаз, образующих сплав, их количества и размера, характера распределения дислокации и других дефектов кристаллического строения. Поэтому устанавливают связь между структурой и конструктивной прочностью металлов и сплавов.

Основные механизмы упрочнения: деформационное, твердо растворное, образование гетерогенных структур (дисперсное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.

Деформационное упрочнение (наклеп) приводит к увеличению плотности дислокаций, что сильно повышает предел текучести, но одновременно резко снижает сопротивление хрупкому разрушению.

При образовании твердых растворов (твердо растворное упрочнение) увеличиваются предел прочности и текучести и твердость. Повышение прочности в твердом растворе прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до 10 -30 %) Величина К1с при образовании твердых растворов снижается. Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения - малая подвижность дислокаций.

Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница - зернограничное упрочнение. Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием. Измельчение зерна понижает порог хладноломкости

Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, сильно повышает предел текучести (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможение дислокаций зонами Гинье-Престона или частицами выделений.

Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высокодисперсные частицы упрочняющей фазы. И такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности (s_B,s_0,2), пластичности (d,y), вязкости разрушения (K1c), вязкости (KCV, KCT) и низкой температуры вязко хрупкого перехода (порог хладноломкости t50).

Дата добавления: 2015-10-21