Пластическая деформация и механические свойства металлов.

Все металлы и сплавы можно охарактеризовать присущими им свойствами: физическими, химическими, механическими, технологическими и эксплуатационными, которые задаются при проектировании, обеспечиваются при изготовлении и реализуются при эксплуатации.

К физическим свойствам относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Химические свойства металлов и сплавов обязательно учитываются при изготовлении изделий, работающих в химически агрессивных средах.

Технологические свойства характеризуют способность металлов и сплавов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. К основным технологическим свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства, жидко текучесть, усадка и ликвация.

Эксплуатационные свойства определяют в зависимости от условий работы, которые учитываются при определении срока службы (долговечности) машины в целом и ее деталей. К ним относятся хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность.

Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении.

При выборе материала для изготовлении деталей машин прежде всего учитываются следующие механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударная и циклическая вязкость, твердость, усталость и выносливость.

1.2.1. Механические свойства металлов при статических нагрузках.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием внешних сил.

В результате механических испытаний (статических и динамических) получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще всего применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 14973). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рисунок 1.12).

Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений s, величина которых является условной:

,

где P – внешняя нагрузка;

F₀ – исходная площадь поперечного сечения образца.

Рисунок 1.12. Диаграмма растяжения металлов для условных

(кривая 1) и истинных (кривая 2) напряжений:

I – область упругой деформации; II – область пластической деформации; III – область развития трещин

До точки А деформация пропорциональна напряжению и подчиняется закону Гука. Наклон прямой ОА характеризует модуль упругости материала

Е = ,

Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характеризует сопротивление материала упругой деформации.

Модуль упругости практически не зависит от структуры металла, и определятся силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (s_пц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформации по отношению к оси напряжений увеличивается на 50 % от своего значения на линейном участке.

Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05 % от первоначальной длины образца (s_0,05).

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести (s_0,2). Предел текучести s_0,2 используется в расчетах конструкций, некоторая доля от s_0,2 определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности s_в.

У пластичных металлов, начиная с напряжения s_в, деформация сосредотачивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка.

В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародыши пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рисунке 1.12).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение

,

и относительное сужение

,

где l₀ и l_к – длина образца;

F₀ и F_к – площадь поперечного сечения образца до испытания и после разрушения соответственно.

Диаграмма истинных напряжений (кривая 2, см. рисунок 1.12) получается как отношение усилия к площади поперечного сечения шейки, а истинное сопротивление отрыву s_к – как отношение усилия в момент разрушения Р_к к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва:

σ_k = ,

В случае хрупкого разрушения s_в» s_к определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала. В конструкторских расчетах s_в и s_к практически не используются, т. к. трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пластической деформации отдельных деталей или узлов.

Кривая 2 на рисунке 1.12 показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп). Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения

K = ,

Хрупкое разрушение деталей машин обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макроскопической деформации.

Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины технологического происхождения и трещиноподобные дефекты (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. п.) или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины, а не ее зарождению. Так как высокопрочные материалы обладают определенной пластичностью, то для них реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины l_кр. Подрастание трещины до l_кр тормозится в них местной пластической деформацией.

Но при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается и происходит самопроизвольное разрушение.

Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К, называемый коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины.

Он определяет растягивающее напряжение s_у в направлении, перпендикулярном плоскости трещины, в любой точке (рисунок 1.13) впереди вершины трещины:

σ_y = ,

где x – расстояние от вершины трещины.

Критерий К для наиболее жесткого нагружения, плоской деформации растяжением, обозначают К₁, а при достижении критического значения, когда стабильная трещина переходит в нестабильную - К_1с. Критерий К_1с показывает, какого значения достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения. Он связывает приложенное среднее напряжение s_ср (вдали от трещины) с критической длиной трещины:

K_1c = σ_{ср ,}

где a - безразмерный коэффициент, характеризующий геометрию трещины.

Рисунок 1.13. Зависимость напряжения от расстояния от вершины трещины

Значение К_1с определяют экспериментально на образцах с надрезом и с заранее созданной на дне этого надреза усталостной трещиной (рисунок 1.14).

Рисунок 1.14. Образец для определения К_1с

Для расчета К_1с при нагружении образца фиксируют усилие в момент подрастания трещины на некоторую величину и перехода ее к нестабильному распространению.

Величина К_1с зависит от степени пластической деформации у вершины трещины и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины. По этой причине критерий К_1с называют также вязкостью разрушения. Чем он больше, тем выше сопротивление материала вязкому разрушению и его надежность.

Значение К_1с позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении или, наоборот, безопасное напряжение при известном размере дефекта.

Например, при рабочем напряжении s_р (рисунок1.15) трещина длиной l будет безопасной для материала II (кривая II) и вызовет разрушение в материале I (кривая I), имеющего меньшее значение К_1с (К_1с^I < К_1с^II).

Рисунок 1.15. Зависимость критического напряжения s от размера дефекта l для двух материалов (I и II) с разным значением К_1с(К_1с^I < К_1с^II).

Твердостью материала называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии (внедрении) индентора на поверхностные слои материала.

Измерение твердости вследствие быстроты и простоты осуществления, а также возможности без разрушения изделия судить о его свойствах, получило широкое применение для контроля качества металла в изделиях и деталях. Существует несколько способов измерения твердости.

Определение твердости по Бринеллю основано на том, что в плоскую поверхность металла под постоянной нагрузкой P (Н) вдавливается твердый стальной шарик (рисунок 1.16, а). После снятия нагрузки в испытуемом металле образуется отпечаток (лунка).

а б в

Рисунок 1.16. Схемы определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю определяется отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка. Если диаметры шарика D и отпечатка d выражены в метрах, то твердость по Бринеллю:

,

При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и Р = 30000 Н, при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 10000 Н, а при испытании очень мягких металлов (алюминий, баббиты и др.) D = 10 мм и Р = 2500 Н.

При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром 5 и 2,5 мм.

Для определения твердости измеряют диаметр лунки d (в мм) и находят по нему число твердости по Бринеллю (НВ) по специальным таблицам. Это число соответствует твердости, выраженной в кгс/мм².

Для перевода числа твердости в систему СИ его умножают на коэффициент К = 9,81 МПа.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более 4500 МПа.

Твердость НВ можно использовать для приближенной оценки статической прочности. Например, для стали справедливо эмпирическое соотношение s_В = НВ/3.

Твердость по Роквеллу определяют по глубине отпечатка. Наконечником (индентором) служит алмазный конус с углом при вершине 120 ° или стальной закаленный шарик (d = 1,588 мм). Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, а шарик – для мягких. Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками (рисунок 1.16, б), предварительной Р₀ = 100 Н и общей Р = Р₀ + Р₁, где Р₁ – основная нагрузка. Основная нагрузка составляет 900 Н для шарика (шкала В), 1400 Н для алмазного конуса (шкала С) и 500 Н при испытании очень твердых и тонких металлов (шкала А).

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах.

За единицу твердости принято значение осевого перемещения наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу HR определяют по формулам HR = 100 – е (при измерении по шкалам А и С), HR = 130 - е (при измерении по шкале В).

Значение е:

е = ,

где h – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием общей нагрузки Р, измеренная после снятия основной нагрузки Р₁ с оставлением предварительной нагрузки Р₀, мм;

h₀ – глубина внедрения наконечника в испытуемый материал под действием нагрузки Р₀, мм.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA при нагрузке 600 Н (испытание алмазным конусом). HRC при нагрузке 1500 Н и HRB при нагрузке 1000 Н (испытание стальным шариком). Значения твердости сразу считывают по шкале прибора.

Определение твердости по Виккерсу используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Твердость определяют, вдавливая в испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) четырехгранную алмазную пирамиду (рисунок 1.16, в), с углом при вершине 136º. Твердость по Виккерсу, HV (МПа) рассчитывают по формуле:

HV= ,

где Р – нагрузка на пирамиду 50, 100, 200, 300, 500, 1000 или 1200 Н (обозначения: НV₅, НV₁₀, НV₂₀ и т.д.);

d – среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, мм.

Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердость по Виккерсу определяется с помощью специальных таблиц по измеряемым значениям отпечатка d в мм. Перевод чисел твердости HV в систему СИ аналогичен переводу чисел твердости HB.

Определение микротвердости H_m(Н_ÿ, ГОСТ 94506) применяется для изделий мелких размеров и отдельных структурных составляющих сплавов. В испытуемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой (0,02…2)Н.

Микротвердость H_m определяется по той же формуле, что и твердость по Виккерсу. Образцы для измерений подготавливаются так же, как микрошлифы.

1.2.2. Механические свойства при динамических нагрузках

Динамические испытания – это испытания, при которых скорость перемещения захватов машины составляет более 10 мм/мин или происходит приложение нагрузки ударом. При такой скорости нагружения могут быть определены динамические свойства при растяжении (или сжатии), параметры динамической вязкости разрушения, а также ударная вязкость при изгибе.

Динамические испытания проводят для определения условий возникновения хрупкого состояния (отпускная хрупкость, хладноломкость, синеломкость и др.), для оценки поведения материалов в условиях повышенной скорости деформирования и для выявления структурных изменений.

Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Основным образцом по ГОСТ 9454 служит стержень с квадратным сечением 10´10 мм, длиной 55 мм и надрезом (концентратором напряжения) посередине длины. Надрез бывает U – образным (шириной и глубиной 2мм, радиусом закругления 1 мм), V – образным (с радиусом закругления 0,25 мм) и с усталостной трещиной (рисунок 1.17).

При испытании образцов расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 30° и радиусом закругления 2 мм.

а б в

Рисунок 1.17. Виды образцов для испытаний на ударный изгиб:

а – с U – образным надрезом; б – с V – образным надрезом; в – с усталостной трещиной (Т-надрез)

Испытания на изгиб проводят на маятниковых копрах. Схема испытания приведена на рисунке 1.18

Величина работы деформации и разрушения А определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол a) и конечный (после взлета на угол b) моменты испытания:

A = PL(cosβ – cosα),

где Р – вес маятника;

L – длина маятника.

Зная полную работу деформации и разрушения А, можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате данных испытаний – ударную вязкость (Дж/м²):

KC = ,

где F– площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания.

Рисунок 1.18. Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре

В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или Т): KCU, KCV или КСТ.

1.2.3. Механические свойства при циклических нагрузках

Длительное воздействие на металл повторно-переменных напряжений (циклических нагрузках) может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже s_0,2.

Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещины и разрушению, называют усталостью, а свойство металлов сопротивляться усталости выносливостью.

Испытание на усталость (ГОСТ 12860) проводят для определения предела выносливости, под которым понимают наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольного большого или заданного числа циклов нагружения. За максимальное s_max и минимальное s_min напряжение цикла принимают наибольшее и наименьшее по алгебраической величине напряжение. Цикл характеризуется коэффициентом асимметрии:

R = ,

Если R = -1, то цикл называется симметричным, если s_max и s_min не равны по величине, то цикл асимметричный.

Предел выносливости обозначают s_R, а при симметричном цикле - s_-1. Предел выносливости определяют на вращающемся образце гладком или с надрезом с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу. Для определения используют не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений до разрушения или до базового числа циклов.

По результатам испытаний отдельных образцов строят кривые усталости в полулогарифмических или логарифмических координатах (рисунок. 1.19).

Рисунок 1.19. Кривые усталости (диаграммы Велера)

С уменьшением s_max долговечность возрастает. Горизонтальный участок на кривой усталости, т. е. s_max, не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости s_R (рисунок 1.19, кривая 1).

Многие металлы (обычно цветные и их сплавы) не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение, которое выдерживает металл или сплав в течение заданного числа циклов нагружения.

База испытания N должна быть не ниже 10⁷ для стали и 10⁸ для легких металлов и других цветных металлов, не имеющих горизонтального участка на кривой усталости (рисунок 1.19, кривая 2).

1.2.4. Эксплуатационные свойства

При трении сопряженных поверхностей имеет место износ, под которым понимают постепенное изменение размеров тела вследствие отделения с поверхности трения материала и его остаточной деформации.

Изнашивание является сложным физико-химическим процессом и нередко сопровождается коррозией.

Свойство материала оказывать сопротивление оценивается величиной, обратной интенсивности изнашивания, принято называть износостойкостью.

При постоянных условиях трения наблюдается три стадии изнашивания:

1) период приработки, при котором происходит интенсивное изнашивание, материал наклепывается и устанавливается равновесная шероховатость поверхности;

2) период установившегося износа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных условий трения;

3) период катастрофического износа.

За основу инженерной характеристики изнашивания принята интенсивность линейного износа

I = ,

где h – линейный износ;

L_тр – путь трения.

Интенсивность изнашивания I изменяется от 10^-3 до 10^-13.

Так, например, интенсивность изнашивания гильз цилиндра, поршневых колец, шатунных и коренных шеек коленчатого вала составляет 10^-11 …10^-12, режущего инструмента – 10^-6 … 10^-8, зубьев ковшей экскаваторов - 10^-3 … 10^-4.

В зависимости от величины интенсивности изнашивания введено 10 классов износостойкости от 0 до 9. Классы 0…5 (I = 10^-13…10^-7) соответствуют упругому деформированию поверхностей, классы 6-7 (I = 10^-7 …10^-5) – упругопластическому деформированию, классы 8-9 (I = 10^-5 …10^-3)- микро резанию.

Испытания на износ проводят для пары цилиндрических образцов в виде роликов при трении качения с принудительным проскальзыванием, для пары цилиндрический ролик – вкладыш при трении скольжения, на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы (на шкурке) испытуемого и эталонного образцов при статической нагрузке в отсутствии нагрева согласно ГОСТ 17367 (рисунок 1.20).

а б в

Рисунок 1.20. Методы испытания на изнашивание: а – качение цилиндрических роликов с принудительным проскальзыванием; б – трение цилиндрических поверхностей роликов и вкладышей при вращении ролика; в – трение образца об абразивную поверхность

1.2.5. Неразрушающие методы контроля металлов и сплавов.

Методы неразрушающего контроля основаны на взаимодействии различных форм энергии с материей. Они предназначаются для определения вида, величины и частоты расположения дефектов и часто используются для непрерывного контроля параметров качества.

Согласно общепринятой классификации все методы неразрушающего контроля делят на группы – виды. Существует девять различных видов неразрушающего контроля: магнитный, электрический, вихретоковой, радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический и проникающими веществами (капиллярный и течеискания).

Магнитный вид основан на анализе взаимодействия магнитного поля с объектом контроля. Его применяют для контроля объектов из ферромагнитных материалов путем намагничивания между магнитными полюсами. Над возможными дефектами магнитное поле как бы «выпучивается» и отмечаются места по оседанию магнитного порошка или с помощью электромагнитных датчиков.

Электрический метод основан на анализе взаимодействия электрического поля с объектом контроля. Место с предполагаемым дефектом помещают между электрическими контактами, подается электрический ток, который огибает дефект и вызывает падение электрического потенциала тем больше, чем глубже дефект.

Вихретоковый метод аналогичен действию электрического метода и основан на помехах возникновения токов Фуко вокруг предполагаемого дефекта. При этом не требуется непосредственного контакта преобразователей с изделием.

Оптический метод основан на визуальном обнаружении дефекта при помощи лупы или микроскопа.

Радиационный метод контроля основан на применении рентгеновского или гамма-излучения после его взаимодействия с объектом контроля. Излучение меньше ослабляется дефектом по сравнению с основным (сплошным) металлом.

Капиллярный метод основан на проникновении в полость поверхностного дефекта смачивающих жидкостей. Оставшуюся в дефекте жидкость извлекают специальным проявляющим порошком или краской. Следы жидкости видны на поверхности, обозначая дефект.

Акустический (ультразвуковой) метод позволяет выявлять дефекты как на поверхности, так и внутри изделия. Ультразвуковая дефектоскопия использует для обнаружения дефектов упругие колебания волнового характера. При этом используют как активные, так и пассивные колебания и волны. О наличии дефекта судят по измеренной амплитуде или времени прихода прошедшего от излучателя к приемнику сигнала. Дефект ослабляет сквозной сигнал.

Рентгеноструктурный анализ используют для изучения кристаллической структуры объекта. Этот метод позволяет определить ориентацию и размеры кристаллов, их атомное и ионное строение, измерить внутренние напряжения, превращения, происшедшие в материалах под влиянием давления, температуры, влажности. Кроме того, данный метод осуществляет точное идентифицирование того или иного материала.

1.2.6. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов.

Пластическая деформация поликристаллического металла протекает путем сдвига (скольжения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна.

При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла.

В результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму.

До деформации зерно имело округлую форму (рисунок 1.21, а), после деформации в результате смещения скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рисунок 1.21, б).

Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит формирование субзерен и увеличение угла разориентировки между ними.

При большой степени деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентировка кристаллитов относительно внешних деформирующих сил называется текстурой деформации.

Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение т. д.).

Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических и физических свойств материала.

а б

Рисунок 1.21. Изменение формы зерна металла в результате пластической деформации: а – схема микроструктуры до деформации; б – схема микроструктуры после деформации

С увеличением степени холодной, происходящей при температуре ниже (0,15…0,2)Т₀, деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (s_в, s_0,2, НВ и др.) повышаются, а способность к пластической деформации – пластичность (d и y) уменьшается (рисунок 1.22).

Рисунок 1.22. Влияние степени пластической деформации e на механические свойства низкоуглеродистой стали

Это явление называется наклепом.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение отдельных новых дислокаций, а, следовательно, повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность. Наибольшее влияние имеет увеличение плотности дислокаций.

Металлы с ГЦК. Решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решеткой. В результате холодной деформации уменьшается плотность, сопротивление коррозии и повышается электрическое сопротивление. Холодная деформация ферромагнитных металлов (например, железа) повышает коэрцитивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

1.2.7. Разрушение металлов

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит или в результате развития нескольких трещин или слияния рядом расположенных трещин в одну трещину, по которой происходит разрушение.

Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм возникновения трещин одинаков как при хрупком, так и при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствиями (границами зерен, межфазными границами, включениями и т. д.).

При большой плотности дислокаций происходит их слияние с образованием микротрещины.

Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 10¹² … 10¹³ см^-2.

При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина при заданном напряжении превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины имеет радиус у вершины, соизмеримый с атомными размерами. В этом случае напряжения на краю трещин оказываются достаточными для нарушения межатомной связи. Распространяющаяся трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. Скорость распространения хрупкой трещины в стали достигает 2500 м/с.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. При вязком разрушении величина зоны пластической деформации, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина имеет большой радиус закругления.

По внешнему виду изломы различают:

1) кристаллический (светлый) излом, поверхность которого характеризуется наличием блестящих плоских участков, такой излом свойственен хрупкому разрушению;

2) волокнистый (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы – волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разрушения, такой излом свидетельствует о вязком разрушении.

На рисунке 1. 23 показаны различные виды изломов.

а б

Рисунок 1. 23. Виды изломов: а – хрупкий; б – вязкий

Разрушение может происходить только под действием растягивающих или касательных напряжений. В макроскопических теориях прочности различают два вида разрушения:

- отрыв в результате действия растягивающих напряжений;

- срез под действием касательных напряжений.

Например, при растяжении отрыв происходит по плоскостям, перпендикулярным приложенной нагрузке (рисунок 1.24, а), а срез по плоскостям, составляющим с приложенной нагрузкой угол 45° (рисунок 1.24, б).

При сжатии отрыв происходит по плоскостям, параллельным приложенной нагрузке (рис. 1.24, в), а срез так же, как и при растяжении (рисунок 1.24, г).

а б в г

Рисунок 1.24. Схемы разрушения путем отрыва и среза: а, б – отрыв и срез при растяжении; в, г – отрыв и срез при сжатии

Считается, что отрыв может произойти без предварительной пластической деформации, в то время как разрушению путем среза такая деформация всегда предшествует.

Поэтому отрыв часто соответствует хрупкому, а срез – вязкому разрушению.

Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву, но повышает сопротивление пластической деформации. При некоторой температуре, называемой критической температурой хрупкости или порогом хладноломкости эти сопротивления становятся равными. Ниже этой температуры металл становится хрупким.

Склонность к хрупкому разрушению возрастает при увеличении скорости деформирования, при наличии концентраторов напряжений (надрезов) и увеличении размеров изделия.

В сталях при температурах 200…400 ^○С возникают синие цвета побежалости, что, в свою очередь подразумевает понижение пластичности и ударной вязкости при одновременном повышении прочности. Такой процесс называют синеломкость.

При исследовании характера разрушения применяется фрактографический метод, который основан на визуальном или с использованием оптического, или электронного микроскопов изучении изломов металлов и сплавов. Фрактография разрушений при статических нагрузках занимается не только исследованием пластических деформаций в зоне поверхностного излома, но также объясняет поведение каждого элемента структуры материала при больших пластических деформациях. В оценке формы и характера поверхности излома играет наличие заметных неровностей поверхности.

1.2.8. Изменение структуры и свойств деформированного металла при нагреве.

Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается), остальная часть энергии накапливается в металле в виде повышенной плотности дефектов (вакансий и, главным образом, дислокаций). О накоплении энергии свидетельствуют также остаточные напряжения, появляющиеся в результате деформации. В связи с этим состояние наклепанного металла термодинамически неустойчиво. В процессе нагрева такого металла в нем протекают процессы, обуславливающие возвращение всех свойств к исходным свойствам металла до деформации.

При нагреве до температур (0,2…0,3)Т₀ начинается процесс возврата, при котором повышается структурное совершенство наклепанного металла в результате уменьшения плотности дефектов строения без изменения заметных изменений микроструктуры, т. е. размера и формы зерен.

В процессе возврата различают две стадии. При более низких температурах порядка 0,2Т₀, протекает первая стадия возврата, называемая отдыхом, на которой происходит уменьшение точечных дефектов (вакансий) и небольшая перегруппировка дислокаций, приводящая к уменьшению их плотности и уменьшению остаточных напряжений.

После небольших деформаций при нагреве до (0,25…0,3)Т₀ протекает вторая стадия возврата, называемая полигонизацией, при которой кристаллиты фрагментируются на субзерна (полигоны), свободные от дислокаций. Путем движения дислокаций и выстраивания их в стенки образуются малоугловые границы (рисунок 1.25).

Рисунок 1.25. Схема полигонизации

После пластической деформации, степень которой превышает определенное критическое значение, которое называется критической степенью деформации, и при достижении определенной температуры образуются и растут новые равноосные зерна. Этот процесс называется рекристаллизацией. Если степень деформации меньше критической, то зарождения новых зерен при нагреве не происходит. Критическая степень деформации невелика и составляет от 2 до 8 %.

В частности, для алюминия она близка к 2 %, для железа и меди – к 5 %.

Температура начала рекристаллизации для чистых металлов составляет (0,1…0,2)Т₀, для технически чистых металлов – 0,4Т₀, для сплавов, образующих твердый раствор – (0,5…0,6)Т₀.

Размер зерен, образовавшихся в результате рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации и от температуры, при которой происходила рекристаллизация. Увеличение выдержки при нагреве способствует росту зерен, но эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева. Зависимость размера зерна от степени деформации и температуры обычно демонстрируют при помощи диаграмм рекристаллизации (рисунки 1.26, 1.27).

Рисунок 1.26. Зависимость размера зерна D рекристаллизованного металла от степени деформации e: D₀ – размер исходного зерна

При степенях деформации немного превышающих критическое значение e_крит, размер получаемого зерна больше исходного размера D₀ до деформации и рекристаллизации. Затем при увеличении степени деформации размер получаемого зерна уменьшается и может стать значительно меньше исходного. При степенях деформации, превышающих ~ 40 %, размер получаемого мелкого зерна не меняется.

Рисунок 1.27. Диаграмма рекристаллизации технически чистого железа

Зарождение зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке. При этом высокоугловые границы новых зерен перемещаются в глубь наклепанного металла.

Эта стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки.

Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рисунок 1.28).

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении выдержки или температуры. Эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией

Этот процесс развивается в связи с тем, что укрупнение зерен приводит к уменьшению свободной энергии металла из-за уменьшения поверхностной энергии границ зерен.

а б в г

Рисунок 1.28. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при рекристаллизации: а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в – завершение первичной рекристаллизации; г – собирательная рекристаллизация

Возврат приводит к уменьшению электрического сопротивления, повышению плотности металла, уменьшению твердости и прочности на 10…15 % первоначальных значений и соответственно увеличению пластичности.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения.

Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рисунок 1.29).

Рекристаллизованные сплавы, как правило, однородны по свойствам и анизотропии не обнаруживают. Однако при известных условиях в рекристаллизованном металле появляется предпочтительная ориентация зерен, которую называют текстурой рекристаллизации.

а б

Рисунок 1.29. Схемы изменения: а – твердости; б - пластичности наклепанного металла при нагреве: I – возврат; II – первичная рекристаллизация; III – собирательная кристаллизация

Ее вид зависит от химического состава сплава, характера деформирования, природы и количества примесей, технологических факторов.

При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров тела, что объясняется тепловым расширением. При этом определяются критические точки, изучается процесс распада твердых растворов, устанавливаются температурные интервалы существования упрочняющих фаз. Эти явления определяются с помощью дилатометрического метода.

Контрольные вопросы:

1. Что такое синеломкость?

2. Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны?

3. Что происходит в металле при упругой деформации?

4. Как протекает пластическая деформация?

5. Чем отличается деформация поликристалла от деформации монокристалла?

6. В чем особенность определение твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?

7. Чем объяснить упрочнение металла (наклеп) в процессе деформации?

8. Что входит в группы химических, механических, технологических свойств?

9. Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений?

10. Каким условием определяется порог хладноломкости?

11. Каковы особенности структуры вязкого и хрупкого изломов?

12. Что определяется при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, истирание, ползучесть и кручение?

13. В чем заключается методика определения ударной вязкости?

14. Каким воздействием может быть вызвана деформация?

15. Чем отличаются истинные напряжения от условных?

16. В чем сущность методов определения дефектов: фрактографического, дилатометрического, магнитного, ультразвукового, рентгеновского?

Дата добавления: 2015-08-03