Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 68. Определение работы

распространения

трещины мето-

дом экстраполяции (по А. П. Гу-

ляеву)

Наиболее простой метод определения а, и

предложил А. П. Гуляев. Метод основан

на

испытании на

удар

двух

образцов с раз-

личным'радиусом надреза (от 0,1 до 1,0 мм)

последующем, построении зависимости «ве-

личина а

—

радиус

надреза г» и экстраполи-

ровании

полученной прямой АВ до значения

г = 0 (рис. 68, точка С) Ч Величина я

при

г = 0 (надрез в виде трещины)

соответствует

а разность

между

— а

для г — \ и г —

0 - величине а

. Работа распространения

трещины может быть определена и по

методу

Б.

А. Дроздовского, который сводится к ис-

пытанию на

удар

образцов с усталостной

трещиной,

которую создают на специальном

вибраторе. Вся работа, затрачиваемая на раз-

рушение образца, в этом

случае

расходуется

только на развитие заранее созданной трещины

(а

= 0).

Значение

определяется как отношение работы, затраченной на разру-

шение образца и измеренной по шкале норм, к его живому сечению. Суще-

ствуют

другие

методы определения а

и а

Вязкость

разрушения.

Для высокопрочных материалов большое рас-

пространение получили статические испытания образцов с надрезом и

трещиной для определения вязкости разрушения — сопротивления распрост-

ранению трещины.

Теоретической основой испытания на вязкость разрушения является ли-

нейная

механика разрушения

. Разработанные Ж. Ирвнным положения

механики разрушения позволяют оценить влияние трещин и подобных де-

фектов на сопротивление материала

хрупкому

разрушению. Базой для ли-

нейной

механики разрушения послужили работы А. Гриффитса, который

показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин,

вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит за Счет,

энергии,

накопленной в материале в

результате

упругой

деформации.

По

Ирвину явления, происходящие у

устья

трещины,

могут

быть опи-

саны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент

интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение

растягивающих напряжений у

ведущего

конца трещины:

К =<ш

у7,

где а - коэффициент, зависящий от типа образца и трещины;

а„ — номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины; /-длина

трещины.

Параметр Ирвина К определяют экспериментально. Чаще определение

К производится в условиях плоского деформированного состояния, когда

разрушение происходит

путем

отрыва — перпендикулярно плоскости гре-

Работа распространения трещины «,, не зависит от радиуса надреза образца.

Механика разрушения — это наука о влиянии характера нагружения и геометрии тела на

его разрушение.

101

щины

\ В этом

случае

коэффициент интенсивности напряжения, т. е. отно-

сительное повышение растягивающих напряжений в

устье

трещины, при

переходе

ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К\

(КГС/MMV

)

И называют его

вязкостью

разрушения

при

плоской

деформации.

Индекс

1 означает, что коэффициент определен при разрушении

путем

от-

рыва перпендикулярно плоскости трещины, а индекс с — что обрыв проис-

ходит

в момент достижения трещиной критического размера.

Вязкость разрушения, учитывающая кроме напряжения длину трещины,

является важной характеристикой металла. Зная коэффициент К

1с

, можно

определить допустимые рабочие напряжения при наличии трещины (друго-

го дефекта) и

учесть

критическую длину трещины (размер дефекта), кото-

рая приводит к

хрупкому

разрушению.

увеличением а

0 2

величина К

снижается. Для алюминиевых сплавов

(ст

д=

30ч-70

кгс/мм

) К\

150-гбО

кгс/мм

, для титановых сплавов

(<То2—7О-т-120 кгс/мм

) К

]с

200-г

120 кгс/мм

и для сталей

{а

120-4-210

кгс/мм

) К

1с

300ч-100

кгс/ммЗЯ

Критерии

вязкости разрушения используют для характеристик высоко-

прочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно на-

груженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, кор-

пусов ракет,

сосудов

высокого давления, уникальных по своим размерам

сооружений).

Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до

+10%.

В остальных

случаях

погрешность расчетов, без

учета

поправок,

может достигать

50—100%.

Живучесть

(скорость развития трещины при циклическом нагружении).

Важной характеристикой конструктивной прочности, характеризующей

надежность материала, является живучесть при циклическом нагружении.

Живучесть - это способность металла работать в поврежденном состоя-

нии

после образования трещины. Живучесть измеряется числом циклов от

начала образования трещины до разрушения или скоростью развития тре-

щины

при данном напряжении.

Живучесть определяют по

двум

кривым усталости (см. стр. 96). Первую

кривую строят для момента образования начальной усталостной трещины,

вторую

- по окончательному разрушению. Расстояние

между

этими

кривыми

при каждом напряжении, т. е. число циклов работы образца

с трещиной, и есть живучесть. Живучесть является самостоятельным свой-

ством материала, которое пока не

удается

предсказать на основе знания

других

механических свойств. Высокие механические свойства, включая до-

статочную пластичность и

ударную

вязкость, часто сочетаются с очень

низкой

живучестью.

Испытание на вязкость разрушения проводят по

схеме

изгиба или внецентренного растя-

жения.

Для испытания применяют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односто-

ронним

надрезом. В надрез вводится усталостная трещина. Образцы различных материалов

должны иметь разные абсолютные размеры. Соотношение всех размеров образца, надреза

трещины должны обеспечить условия плоской деформации у вершины трещины и упруго-на-

пряженное

состояние вдали от нее. Значение К

вычисляют при нагрузке, отвечающей началу

нестабильного развития трещины. При испытании строят диаграмму «нагрузка — смещение»

(расстояние

между

точками по обе стороны от трещины вследствие раскрытия),.но которой на-

ходится требуемая нагрузка. Коэффициент К

1с

вычисляется по специальным формулам, выве-

денным путем анализа напряжений вблизи устья трещины в образцах принятого тина.

102

Живучесть имеет особое значение для надежности изделий, безаварий-

ная

работа которых поддерживается

путем

периодического дефектоскопии

рования

различными физическими методами для выявления усталостных

трещин. Чем меньше скорость развития трещины, тем

легче

ее обнару-

жить.

Критерии,

обусловливающие долговечность работы металла в конструк-

циях. Долговечность деталей машин и конструкции в соответствующих ус-

ловиях их

службы

определяется

усталостью

металла, процессами износа,

коррозии

и т. д., которые вызывают постепенное разрушение. Постепенные

отказы в отличие от внезапных отказов чаще не

влекут

за собой ава-

рийных последствий.

Усталостная

прочность.

Около 80%

всех

разрушений носят

уста-

лостный характер. Сопротивление металлических материалов усталости

определяется пределом выносливости (см. стр. 95).

увеличением размера образца величина предела выносливости умень-

шается («масштабный фактор»). Резко снижают предел выносливости кон-

центраторы напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность образца

(детали), тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными

образцами стали (а

= 100 кгс/мм

) предел выносливости шлифованных

образцов снижается на

—15%, а фрезерованных на 45 — 50%. Коррозия

понижает предел выносливости на

40-60%.

Предел выносливости изделий

всегда

ниже, чем образцов (рис. 69).

Многие детали машин (оси, валы и т. д.) работают на изгиб и кручение,

при

которых максимальные напряжения возникают в поверхностных

слоях, где сосредоточены концентраторы напряжений. При знакоперемен-

ной

нагрузке трещина усталости, как правило, образуется на поверхности

под влиянием растягивающих напряжений. При наличии на поверхности

остаточных напряжений сжатия растягивающие напряжения от внешней

нагрузки уменьшаются и GR повышается; начало разрушения в этом слу-

чае происходит не на поверхности, а под упрочненным слоем.

Чувствительность к концентраторам напряжений резко снижается,

а предел выносливости возрастает при создании на поверхности оста-

точных напряжений сжатия

путем

упрочения химико-термической или дру-

гой обработкой.

Важно, чтобы высокое значение стд сочеталось с малой чувствитель-

ностью к концентраторам напряжений.

Рис.

69. Соотношение

между

пределами выносливости стали в малых, больших

(</

= 50

-s-

60 мм)

надрезанных

образцах

(I - III соответсвенно) н

деталях

машин (1 — 9):

•' — коленчатый вал авиационного двигателя; 2 — коленчатый вал дизеля; 5 — вагонная ось;

4 — прямой вал с напрессованной ступицей; 5 — прямой вал со ступицей на шпоночном

соединении;

о" - зубчатое колесо; 7 - болт с резьбой; S - заклепочное соединение

двух

пластин;

9 — сварное соединение

пластин

103

Изнашивание

При относительном движении сочлененных деталей ма-

шин

между

контактирующими поверхностями возникает трение.

Трение — это результат различных видов взаимодействия, проявляю-

щихся в механических, молекулярно-механических и коррозионно-механи-

ческих процессах. Соотношение этих видов взаимодействия может быть

самым различным в зависимости от условий нагружения, свойств контак-

тирующих материалов и среды.

В результате трения многие детали машин подвергаются износу. Про-

цессы, ведущие к износу, называют

изнашиванием.

В результате износа из-

меняются размеры деталей, увеличиваются зазоры

между

трущимися по-

верхностями, вызывающие биение и стук.

Интенсивность

изнашивания определяют как отношение величины из-

носа к обусловленному пути, на котором происходит изнашивание, а ско-

рость изнашивания как отношение величины износа ко времени, в течение

которого он возник. Свойство материала оказывать сопротивление изна-

шиванию,

оцениваемое величиной, обратной скорости (или интенсивности)

изнашивания,

принято называть

износостойкостью.

При

постоянных условиях трения имеют место три стадии изнашива-

ния:

1) период приработки, при котором происходит интенсивное изнаши-

вание,

изменяется микрогеометрия поверхности и материал наклёпывает-

ся;

эти процессы обеспечивают

упругое

контактное взаимодействие тел;

после приработки устанавливается равновесная шероховатость поверхно-

сти, характерная для заданных условий трения, которая в дальнейшем не

изменяется и непрерывно воспроизводится; 2) период установившегося из-

носа, в течение которого интенсивность износа минимальная для заданных

условий трения; 3) период катастрофического износа.

Изнашивание

происходит в результате механического, коррозионно-ме-

ханического, эрозионного, кавитационного или усталостного воздействия.

механическому

изнашиванию

относят абразивное, гидродбразивное,

газоабразивное, эрозионное, кавитационное и усталостное изнашивание.

Абразивное

изнашивание

материала происходит в результате режущего

или

царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивные ча-

стицы — это частицы грязи, пыли, песка. Они попадают

между

контакти-

рующими поверхностями со смазкой или из

воздуха,

а также

могут

по-

явиться в результате развития

других

видов изнашивания (схватывания,

выкрашивания,

окисления). Абразивное изнашивание является типичным

для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, сельскохо-

зяйственных и

других

машин, работающих в технологических средах, со-

держащих абразивные частицы. Скорость изнашивания высока:

0,1-100

мкм/г.

Изнашивание,

происходящее в результате воздействия твердых тел или

частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют

гидроабразивным

изна-

шиванием.

Оно имеет место в мешалках и импеллерах реакторов, в коле-

сах и корпусах насосов, в шнеках и т. д.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа, как это имеет ме-

сто в дымоходах и

воздуходувках,

то вызываемое ими изнашивание назы-

вают

газоабразивным

изнашиванием.

Здесь и далее используются термины и определения ГОСТ

23.002-78.

104

Эрозионное

изнашивание

происходит в

результате

воздействия потока

жидкости или газа на поверхность.

Под

кавитационным

изнашиванием

понимают изнашивание поверхно-

сти при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях ка-

витации.

В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины,

детали машин, подвергающиеся водяному охлаждению, трубопроводы.

При

образовании продуктов химического взаимодействия металла со

средой (изнашивание при фреттинг-коррозии и окислительное) возникает

коррозионно-механическое

изнашивание.

При

длительном трении сопряженных поверхностей, в

случае

нормаль-

ного износа окислительное изнашивание наблюдается в подшипниках

скольжения,

валах,

втулках,

поршневых кольцах и т. д.

Изнашивание

при фреттинг-коррозии происходит в болтовых и закле-

почных соединениях, посадочных поверхностях подшипников качения, ше-

стерен, муфт и

других

деталей, находящихся в подвижном контакте. Для

образования фреттинг-коррозии достаточны

даже

весьма малые относи-

тельные перемещения с амплитудой

0,025

мкм.

Причиной

изнашивания является непрерывное разрушение защитной

окисной

пленки в точках подвижного контакта.

результате

одновременного механического воздействия и воздействия

молекулярных или атомных сил наступает изнашивание, получившее на-

звание

молеку'лярно-механического.

К нему

следует

отнести изнашивание

при

заедании. Это

результат

схватывания, глубинного вырывания материа-

ла, переноса его с одной поверхности трения на

другую

и воздействия воз-

никших

неровностей на сопряженную поверхность. Такие повреждения воз-

никают там, где

между

поверхностями контакта исчезают разделяющие их

смазочные слои, адсорбированные пленки жира, влаги, газов, пленки окис-

лов и др., и эти поверхности под действием нагрузки сближаются на рас-

стояние межатомного взаимодействия.

Изнашивание

при заедании наблюдается на

зубчатых

колесах, подшип-

никах

скольжения и т. д.

Слой

смазки устраняет непосредственный контакт

двух

поверхностей,

благодаря

чему

не только уменьшаются сильг трения, но создаются условия

для устранения или уменьшения износа поверхностей. Смазка предотвра-

щает схватывание при трении и обеспечивает

хорошую

прирабатываемосгь.

Для многих сталей с повышением твердости (при некотором запасе

пластичности) относительная износостойкоеть возрастает. Повышение из-

носостойкости стали достигается химико-термической обработкой (см.

стр. 228), упрочнением поверхности путем механического наклепа или на-

плавки,

образованием промежуточных пленок, предотвращающих непос-

редственный металлический контакт (фосфатирование, сульфоцианирова-

ние

и др.). Износостойкость изделия зависит как от свойств материала, так

условий трения.

При

лабораторных испытаниях стремятся выявить основной фактор.

Во время испытания изменяют одно из внешних условий трения (напри-

мер,

давление), а остальные (скорость относительного перемещения,

среду

т. д.) оставляют постоянными.

При

выборе методики испытания нужно, чтобы механизм изнашивания

образцов был таким же, как и механизм изнашивания изделия в работе.

105

в)

Рис.

70. Методы испытания на износ:

а - качения цилиндрических роликов с принудительным проскальзыванием; б - трение ци-

линдрических поверхностей ролика и вкладыша при вращении ролика; в — трсше образца

об абразивную поверхность (шлифовальную шкурку)

Для испытаний на трение и изнашивание наиболее часто применяют

машины

типа МИ, на которых можно проводить испытания пары цилин-

дрических образцов-роликов при трении, качения с принудительным про-

скальзыванием (рис. 70,

а),

а также испытания пары — цилиндрический ро-

лик-вкладыш при трении скольжения (рис. 70,6).

Методика испытания на износ должна приближаться к эксплуата-

ционным

условиям. Однако с целью сопоставления

результатов

на изна-

шивание,

полученных в различных лабораториях, эти испытания должны

быть стандартизованы.

Примером стандартизации испытания может служить метод испытания

(ГОСТ

17367

—

71) на абразивное изнашивание при трении о закрепленные

абразивные частицы (рис. 70, в). В этом

случае

производят трение испытуе-

мого и эталонного образцов об абразивную шкурку при статической на-

грузке

и отсутствии нагрева. Относительная

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ

Б определяет-

ся

по формуле

где А/

и Д/

- абсолютный линейный износ эталонного и испытуемого

образца, мм; с/

и ^—фактический диаметр эталонного и испытуемого

образца, мм.

Контактно-усталостная

прочность.

Причиной отказа многих изделий

(тяжелонагруженные

зубчатые

и червячные передачи, подшипники качения,

катки,

бегунки, рельсы, колеса и т. д.) является контактная

усталость

(уста-

лостное изнашивание). Контактная

усталость

поверхностных слоев возни-

кает при чистом качении. При контактном нагружении сила

действует

н&

весьма малые участки поверхности, вследствие

чего

в поверхностном слое

металла возникают повышенные напряжения, которые, как правило, носят

циклический

характер и вызывают усталостное разрушение. Контактная

106

усталость

приводит к образованию на поверхности контакта выкрашива-

ний,

образованию оспин

(язвин),

нередко называемых пнттингом.

Процесс

разрушения заключается в зарождении усталостной трещины,

как

правило на поверхности, и постепенном развитии ее в

глубь

изделия

отделении частиц. Контактная выносливость характеризуется ограни-

ченным пределом усталостного выкрашивания ст

, т. е. максимальным нор-

мальным напряжением цикла ст

тах

(вычисленным по формулам теории

упругости), при котором не наблюдается разрушения поверхностных слоев

испытуемого металла при данной базе испытания. Предел контактной вы-

носливости, определяется на базе 5

•

- 2

•

циклов (в зависимости от

материала). За критерий разрушения принимают начало прогрессирующе-

го выкрашивания, которое может привести к выкрашиванию по всей по-

верхности. Минимальный размер выкрашивания должен превышать поло-

вину малой полуоси контактной площади (D ^ 0,56) \ По

результатам

ис-

пытания

строят кривую контактной усталости.

Прочность конструкции. Из всего рассмотренного выше

следует,

что

прочность конструкции определяется не только свойствами материалов, но и

характером конструкции, уровнем технологии и условиями эксплуатации. В

связи

с этим прочность конструкции может быть повышена только в совокуп-

ности металлургических, технологических и конструкторских мероприятий.

О прочности конструкции нельзя

судить

только по

результатам

испы-

тания

образцов, так как они не отражают того многообразия воздействий,

которым подвергается металл в процессе изготовления деталей и их даль-

нейшей

работы в машинах (см. рис. 69).

Критериями

оценки прочности конструкции в целом являются стен-

довые, натурные и эксплуатационные испытания. При таких испытаниях

выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких фак-

торов, как распределение и величина остаточных напряжений, дефектов

сварных швов и

других

дефектов технологии изготовления и конструиро-

вания

металлоизделий.

Удельная прочность. Во многих отраслях промышленности (авиацион-

ной,

ракетной, космической, транспортной и т. д.) при выборе материала для

той или иной конструкции большое значение имеет удельная прочность,

под которой понимают отношение предела прочности а

или иной характери-

стики

механических свойств (<Jo,2» 0д> £

ДР-)

плотности (А; =

/у)

8. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ

ПРОЧНОСТИ

МЕТАЛЛОВ

Увеличение прочности металла при сохранешш достаточной пластичности

вязкости повышает надежность и долговечность машин (конструкций)

понижает

расход

металла на их изготовление вследствие уменьшения се-

чения

деталей машин, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Для испытания на контактную

усталость

применяют трехроликовые двухконтактные ма-

шины,

в которых испытуемый образец обкатывается под давлением

между

двумя

валами (ро-

ликами),

а также машины, в которых плоская поверхность подвергается контактному нагруже-

нию при обкатке шарами.

Удельная жесткость (Ely) у большинства металлов [Fe (сталь), Ti, Al, Mg и др.] и

дерева

примерно одинакова (~

2700).

Этим можно объяснить многолетнюю конкуренцию

между

авиационными

конструкциями из стали, алюминия, титана и

дерева.

107

Рис. 71.

Схема

зависимости

сопротивления

дефор-

мации

от

плотности

других

дефектов

металлах:

— теоретическая прочность; 2

—

4 — техническая

прочность

(2 —усы; 3 - чистые неупрочненные

металлы; 4 — сплавы, упрочненные легированием,

наклепом,

термической или термомеханической

обработкой)

Принято

различать

техническую

теоретическую

прочность

металлов.

Техническую прочность определяют

значением описанных выше свойств: а

0 O

0,2>

ст

в.

ДР-

Под теоретической прочностью пони-

мают сопротивление деформации и раз-

рушению, которое должны были бы

иметь материалы согласно физическим

расчетам с

учетом

сил межатомного взаи-

модействия и предположения, что два ряда атомов одновременно сме-

щаются относительно

друг

друга

под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно ориенти-

ровочно определить теоретическую прочность металла по следующей

'10

°-10

1г

см

Плотность

дислокации

формуле: х

теор

G/2n, где G —

модуль

сдвига

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной фор-

муле, в

100-1000

раз больше технической прочности. Как мы уже отмеча-

ли ранее, это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде

всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является ли-

нейной

функцией плотности дислокаций (рис. 71).

Как

видно из рис. 71, минимальная прочность определяется некоторой

критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей 10

—

см ~

. Эта величина относится к отожженным металлам. Величина

оо,2 отожженных металлов составляет 10 ~

— 10

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а

(рис.

71), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочнось

быстро приближается к теоретической.

Повышение

прочности достигается: 1) созданием металлов и сплавов

с бездефектной структурой; 2) повышением плотности дефектов (в том

числе и дислокаций), затрудняющих движение дислокаций. Повышение

прочности возможно также созданием композиционных материалов.

В настоящее время

удалось

получить кристаллы, практически не содер-

жащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: дли-

ной

2—10 мм и толщиной от 0,5

—

2,0 мкм, называемые

«усами»,

обладают

прочностью, близкой к теоретической. Так, например, предел прочности

нитевидных кристаллов железа составляет 1300 кгс/мм

, меди 300 кгс/мм

цинка 225 кгс/мм

, по сравнению с пределом прочности технического же-

леза 30 кгс/мм

, меди 26 кгс/мм

и цинка 18 кгс/мм

Модуль сдвига G —

коэффициент

пропорциональности между касательным напряжением

т и относительным сдвигом у (т = Су). Модуль сдвига для Fe равен

7700

кгс/мм

, для

Си

4400

кгс/мм

, для А1 -

2700

кгс/мм

108

Увеличение размера

усов

сопровождается резким снижением прочно-

сти. Малые размеры нитевидных металлических кристаллов (усов) и высо-

кая

чувствительность их к поверхностным дефектам пока ограничивают

использование их в технике.

При

увеличении количества дефектов (точечных, дислокаций и т. д.)

кристаллического строения свыше величины а (рис. 71), происходит упроч-

нение

металла.

Связь

между

пределом текучести с

и плотностью дислокации и

других

дефектов р выр'ажается формулой

ст

+ <xGb|/p,

где Стд — напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); Ъ — вектор

Бюргерса; а — коэффициент, зависящий от природы металла, его кристал-

лической решетки н структуры. Он определяется вкладом различных

меха-

низмов

торможения дислокаций в общее упрочнение и имеет величину по-

рядка 10" '.

Плотность дислокаций не должна превышать

-10

см~

. При

большей плотности в металле образуются трещины.

Все применяемые в настоящее время методы упрочнения металлов —

деформационное упрочнение (наклеп), легирование, т. е. создание раз-

личных сплавов, термическая и термо-механическая обработка и др. осно-

ваны на этом принципе.

Во

всех

случаях

создаются условия для торможения дислокации в ре-

зультате

увеличения их плотности (создание дислокационных барьеров),

возрастания сил трения при движении дислокаций за

счет

упругого

взаи-

модействия с атомами легирующих элементов, образования на дислока-

циях примесных атмосфер, измельчения блоков (увеличения

малоугловых

границ),

образования дисперсных частиц второй фазы (карбидов, нитридов,

различных химических соединений и т. д.).

Деформационное упрочнение уже рассмотрено (см. стр. 84). Предел те-

кучести при наклепе может достигнуть величины 10

— 10

G (р =

-10

см"

При

легировании и термической обработке упрочнение связано с обра-

зованием твердого раствора, гетерогенных

структур

различной дисперсно-

сти или метастабильных

структур,

например мартенсита.

При

образовании твердого раствора предел прочности, текучести

твердость повышаются. Это объясняется тем, что в неупорядоченном

твердом растворе искажение области решетки вокруг атомов растворенно-

го элемента, находящихся в плоскости скольжения, затрудняет продвиже-

ние

дислокаций.

Упрочнение при образовании твердого раствора может быть определе-

но

по формуле, полученной Моттом и Набарро:

сг

где G -

модуль

сдвига, кгс/мм

; Е — параметр, зависящий от различия раз-

(

меров атомов растворенного компонента г и растворителя г

I е =

— атомная концентрация растворенного компонента.

109

Рис.

72.

Модель

движения дислокаций в дпсперсиоипо-

твердеютих

сплавах:

а — перерезание дисперсной частицы скользящей дисло-

"/ кацией; б —выгибание и продвижение скользящей

дислокации

между

частицами второй фазы с рбразо-

^"^ капнем петель

Значительно затрудняют движение дислока-

ций,

а следовательно, повышают прочность

атмосферы Коттрелла

даже

при малом содер-

жании

второго компонента. При образовании

твердого

раствора внедрения прочность во

много раз больше, чем при образовании твер-

дого

раствора замещения той же концентрации.

Сочетание повышенной прочности и хоро-

шей пластичности позволяет использовать

твердые растворы как основу конструкцион-

ных сплавов.

Упрочнение при образовании

твердого

раст-

вора достигает ст

=10-зс При повышении

0) температуры выше

0,5-0,6

пл

упрочнение за

счет

образования

твердых

растворов резко

уменьшается.

Наиболее сильно прочностные характеристики (сг

сто,2)

возрастают при

создании в сплавах высокодисперсной гетерофазнои

структуры

с помощью

закалки

и старения (см. стр. 68). Упрочнение при старении объясняется

торможением дислокаций зонами ГП или частицами выделений.

При

образовании зон ГП, расстояние

между

которыми составляет

~ 10

А, дислокации проходят через них (перерезают), что

требует

повы-

шенных напряжений (рис. 72, а). Зоны ГП имеют

модуль

сдвига больше,

чем у исходного

твердого

раствора а. Чем прочнее зоны ГП и больше их

модуль

упругости, тем

труднее

они перерезаются дислокациями.

Вокруг

зон

ГП создается зона значительных

упругих

напряжений, которая также

тормозит движение дислокаций, а следовательно, способствует упрочне-

нию

при старении.

случае

когерентных частиц избыточной фазы дислокации под дей-

ствием приложенных напряжений либо перерезают, либо огибают эти ча-

стицы, что зависит от их размеров, прочности и расстояния

между

ними.

случае

некогерентных частиц возможно только огибание их дислокация-

ми.

На рис. 72, б показано сначала выгибание, а затем (при больших напря-

жениях) и огибание частиц дислокациями. При возрастании напряжений

дислокации

образуют

замкнутые дислокационные петли вокруг частиц

(рис.

72,6). Оставив вокруг, частиц петли, дислокации продолжают сколь-

зить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препят-

ствуют

движению новых дислокаций). Критическое напряжение (предел те-

кучести ст

) проталкивания дислокации обратно пропорционально расстоя-

нию

между

частицами (рис. 72,6):

_ Gb

НО