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

Подождите немного. Документ загружается.

Рис.

55.

Схема

последовательных стадий источника

Франка-Рида

атом 3 — в 4, атом 5 — в б,

атом 7 — в 8, атом 9 — в 10,

атом 11 — в 12, атом 13 — в 14,

атом 75 —в 76 и атом 17—ъ

18. Также смещаются атомы не

только в плоскости чертежа, но

во

всех

атомных слоях, парал-

лельных этой плоскости

Перемещение дислокации в

плоскости скольжения ММ че-

рез весь кристалл приводит к

смещению

(сдвигу)

соответст-

вующей части кристалла на одно

межплоскостное расстояние

(рис.

54, б — г), при этом спра-

ва на поверхности кристалла

образуется ступенька. Обычно в одном месте

выходит

на поверхность

кристалла группа дислокаций (~

10—100).

Следует

иметь в

виду,

что

перемещение дислокаций, образовавшихся в процессе кристаллизации,

ограничено. Большие деформации возможны только вследствие того, что

движение этих дислокаций вызывает появление или размножение боль-

шого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.

Механизм образования дислокаций в процессе деформации был открыт

19.50 г. одновременно

двумя

учеными - Франком и Ридом, но предсказал

его еще в 1940 г. Я. М. Френкель.

Рассмотрим механизм образования дислокации в процессе пластиче-

ской

деформации. Пусть дислокация, расположенная в плоскости скольже-

ния

(плоскости рисунка), закреплена в точках А и А

(рис. 55, /). Такое за-

крепление может быть при пересечении данной дислокации другими

дислокациями,

чужеродными атомами и т. д.

Под

действием возрастающего напряжения т дислокация выгибается,

пока

не примет форму полусферы (рис. 55, Л). Дальнейшее распростране-

ние

дислокации происходит самопроизвольно

путем

образования

двух

спи-

ралей (рис. 55, III и IV). В точке С спирали встречаются (рис. 55, IV), что

приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и нового

участка дислокаций,, занимающего

исходную

позицию ЛиЛ, (рис. 55, V).

Внешняя

замкнутая дислокационная петля разрастается до внешней по-

верхности кристалла (зерна, блока), что приводит к элементарному

сдвигу.

Новая

дислокация А —А

(рис. 55, V) под действием напряжения т. на-

чинает снова выгибаться, как описано выше. Если продолжает действовать

напряжение т, то из одного источника

могут

образоваться сотни дислока-

ций,

и прекратятся они лишь в том случае, когда на пути развивающейся

петли дислокаций встретится препятствие — новые системы дислокаций,

частицы избыточных фаз, границы зерна и т. д..

На

начальной стадии пластическая деформация скольжением осущест-

Перемещение дислокации возможно и

путем

переползания. Переползание — это диффу-

зионное

смешение дислокационной линии или ее части

вследе

i вне присоединения межузельных

атомов или вакансий. При этом дислокации из одной плоское i и переходя г в

другую.

вляется движением дислокаций, в одной системе - стадия легкого сколь-

жения.

Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепят-

ственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессирующую деформа-

цию без значительного роста действующих напряжений (/ стадия

деформационного упрочнения). При более значительной степени деформа-

ции

протекает стадия множественного скольжения — движение дислокации

двух

и более системах. На этой стадии дислокационная

структура

металла очень усложняется и плотность дислокации возрастает по сравнению

с исходным состоянием на 4—6 порядков, достигая 10

— 10

см-

Вследствие

упругого

взаимодействия

между

дислокациями сопротивле-

ние

их движению сильно возрастает и для их продвижения внешнее напря-

жение должно резко увеличиваться (II стадия упрочнения). Под влиянием

все возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение вин-

товых дислокаций, т. е. скольжение с переходом из одной разрешенной

плоскости скольжения в

другую.

Это приводит к частичной релаксации на-

пряжений,

анигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке

дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций

меньше, чем в стенках ячеек.

В III стадии деформационное упрочнение уменьшается - происходит

так называемый динамический возврат.

Дислокации, движущиеся в деформированном металле, порождают

большее количество дислоцированных атомов и вакансий.

Двойникование.

Пластическая деформация некоторых металлов, имею-

щих плотноупакованные решетки К12 и Г12, помимо скольжения может

осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке ча-

сти кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части

относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования (см. рис.

53,

д).

Двойникование подобно скольжению сопровождается прохождением

дислокаций сквозь кристалл'.

Изменение

структуры

поликристаллического

металла

при

пластической

деформации.

Пластическая деформация поликристаллического металла

протекает аналогично деформации монокристалла —

путем

сдвига (сколь-

жения) или двойникования. Формоизменение металла при обработке да-

влением происходит в

результате

пластической деформации каждого зер-

на.

При этом

следует

иметь в

виду,

что зерна ориентированы не

одинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одно-

временно и одинаково во всем объеме поликристалла.

Первоначально под микроскопом на предварительно полированных

деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде

прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных

зерен.

При

большой деформации в

результате

процессов скольжения зерна

(кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело

округлую

форму (рис. 56,

а),

после деформации в

результате

смещения по плоскостям

По сравнению со скольжением двойникование имеет меньшее значение. В металлах

с г.ц.к- и о.ц.к.-решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформи-

рования

и низких температурах.

y:fe;;::

К:

^2^^

Рис.

56. Изменение формы зерна в

результате

скольжении (— граница деформи-

рованного зерна, кажущаяся ровной благодаря ничтожно малым размерам пачек скольжения):

а — схема и микроструктура металла до деформации; 6 — схема и микроструктура металла

после деформации (х 150)

скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил Р, обра-

зуя волокнистую или слоистую

структуру

(рис. 56,6). Одновременно с из-

менением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увели-

чение

угла

разорнентнровки

между

ними. Рентгеноструктурный анализ

показывает, что после деформации отдельные зерна и блоки

упруго

напря-

жены (внутренние напряжения II рода), а кристаллическая решетка по гра-

ницам

зерен, блоков и вблизи плоскостей скольжения искажена (внутрен-

нее напряжение III рода).

Текстура

деформации.

При большой степени деформации возникает

преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономер-

ная

ориентировка кристаллитов относительно внешних деформационных

сил получила название

текстуры

(текстура деформации).

Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических

зерен

получает

преимущественную ориентировку (текстуру). Характер тек-

стуры

зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волоче-

ние

и т\ д.) \ Кристаллографическую

текстуру

не

следует

отождествлять

Для металлов с г. ц. к.-решеткой при волочении направление текстуры [111] и [100], а

с о.ц.к. — [ПО]. При прокатке направление текстуры для г.ц.к.-металлов [110] в плоскости

(112) и для о. ц. к.-металлов [001] в плоскости (110).

"* 72

i»

—

го

Рис.

57. Влияние пластической деформации на механичес-

кие

свойства ста;ш

с волокнистой структурой. Волокнистость

иногда может и не сопровождаться тек-

стурой, так как она определяется наличием

примесей. Образование текстуры способ-

ствует

появлению анизотропии механиче-

ских и физических свойств.

Наклеп

поликристаллического

металла.

увеличением степени холодной (ниже

0,15 — 0,2

Т,,,,)

деформации

свойства, ха-

2Q | \ | j | | растеризующие сопротивление деформации

(о"

ст.,., HRB и др.), повышаются, а спо-

собность к пластической деформации —

пластичность (8 и \|/) уменьшается (рис. 57).

Это явление роста упрочнения получило

название

наклепа.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп)

объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дис-

локаций,

вакансий, межузельных атомов). Все дефекты кристаллического

строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают

сопротивление деформации и уменьшают пластичность. Наибольшее зна-

чение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при

этом взаимодействие

между

ними тормозит дальнейшее их перемещение.

Стадия легкого скольжения при деформации поликристаллического метал-

ла, в отличие от монокристаллов (см. стр. 82)

отсутствует.

С самого начала

пластической деформации происходит упрочнение металла, связанное со

скоплением дислокаций у границ. Однако основное упрочнение при

холод-

ной

пластической деформации поликристаллических металлов определяет-

ся

характером множественного скольжения в каждом зерне.

Металлы с г. ц. к.-решеткой упрочняются сильнее, чем металлы с о. ц. к.-

решеткой. В

результате

холодной деформации уменьшается плотность, со-

противление коррозии и повышается электросопротивление. Холодная де-

формация

ферромагнитных металлов, например железа, повышает

коэрци-

тивную силу и уменьшает магнитную проницаемость.

3. РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Процесс

деформации при достижении достаточно высоких напряжений за-

канчивается разрушением. Процесс разрушения состоит из

двух

стадий —

зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца

(детали).

Различают два вида разрушения (рис. 58, а):

1) отрыв в

результате

действия растягивающих (нормальных) напряже-

ний;

2) срез под действием касательных напряжений. Отрыв не сопрово-

Степень деформации /= —

—100%,

где F

и F

- площади сечения до деформации

•го

после деформации соответственно;

, — температура плавления, °К.

Граница

зерна

1J. -L J.X

Дислокации

Трещина

Рис.

58. Схемы отрыва (а), среза (о), образования трещины за счет скопления дислокации

у препятствия (в)

ждается предварительной макропластической деформацией. Разрушению

путем

среза, наоборот,

всегда

предшествует пластическая деформация.

В связи с этим отрыв вызывает хрупкое, а срез вязкое разрушение.

Механизм зарождения трещины одинаков как при хрупком, так и вяз-

ком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря

скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен,

зерен, межфазовые границы, всевозможные включения и т. д.), что приво-

дит к возникновению концентрации напряжений, достаточных для обра-

зования микротрещины

(рис. 58, 6 и в). Концентрация напряжения в

устье

трещины сг

зависит от номинального (среднего) напряжения 0„, длины

трещины / и радиуса кривизны в вершине трещины г:

, 1/7

Чем больше / и меньше г, тем выше ст

. Когда а

достигает значения,

достаточного для нарушения цельности металла, размер трещины стано-

вится критическим и дальнейший ее рост идет самопроизвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся, трещина,

а для вязкого — тупая, раскрывающаяся трещина. Если напряжение ниже

предела текучести, пластическая деформация происходит только в

устье

трещины, где отмечается концентрация напряжений.

Вязкое и хрупкое разрушения различаются

между

собой по величине

пластической зоны в вершине трещины. При хрупком разрушении вели-

чина пластической зоны в

устье

трещины мала

. При вязком разрушении

величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся тре-

щины,

велика.

Образование трещины происходит под воздействием касательных

напряжений,

вызы-

вающих движение дислокаций (пластическую деформацию). Распространение трещины (разру-

шение)

происходит вследствие действия растягивающих напряжений в ее устье,

При хрупком разрушении учитывается только пластическая деформация, локализован-

ная

в устье трещины и сопутствующая образованию трещины; макропластическая деформа-

ция,

происходящая до образования трещины, во всем объеме тела непосредственно не связана

распространением трещины.

Пластическое течение материала в вершине трещины сопровождается

увеличением радиуса трещины и, следовательно, уменьшением сг

, которое

может оказаться недостаточным для продолжения распространения тре-

щины

и она не достигнет критического размера.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения

трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика -

она

близка к скорости звука, поэтому нередко хрупкое разрушение назы-

вают «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

Вязкое и хрупкое разрушение можно связать с энергоемкостью процес-

са разрушения при том или ином виде испытания. Вязкому разрушению

соответствуют обычно большие значения поглощенной энергии, т. е. боль-

шая

работа распространения трещины. Энергоемкость хрупкого разруше-

ния

мала и соответственно работа распространения трещины близка

нулю.

точки зрения микроструктуры

существуют

два вида разрушения —

транскристпаллитное

интеркристаллитное.

При транскристаллитном

Рис,

59. Изломы стали:

а - макроструктуры: /-хрупкий; 2. 3 — смешанный; 4

-вязкий;

6 - микрофрактограммы

(х 5000): / - чашечный

(вязкий);

2 - ручьистый (хрупкий); 3 - интеркристаллитное разрушение

;;* Л;;'

' 2 V 3 Ч

§i/1

В5°/о

Ь0°/а

хрупкой

составляющей

а)

разрушении трещина распространяется

по

телу

зерна,

а при

интеркристал-

литном

она

проходит

по

границам зерен.

При

распространении трещины

по

телу

зерна может происходить

как

вязкое,

так и

хрупкое разрушение. Межзеренное разрушение всегда являет-

ся

хрупким.

По

внешнему виду излома (визуальное наблюдение) можно судить

характере разрушения. Волокнистый (матовый) излом

(рис.

59,

а, поз. 1)

свидетельствует

вязком разрушении, кристаллический (светлый) излом

(рис.

59,

а, поз. 3)

является результатом хрупкого разрушения.

Изучение тонкой структуры излома

помощью электронного микро-

скопа

(микрофрактография) позволяет более уверенно судить

вязком

или

хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется

«ча-

шечным» микростроением излома (рис.

59,6,

тюз.

1). При

этом виде разру-

шения

происходит образование внутренних микрообластей («чашек»)

с по-

следующим удлинением этих локальных очагов разрушения

разрывом

перемычек, разделяющих

их.

Хрупкое разрушение характеризуется

«ручьистым»

строением (рис. 59,

б,

поз.

поверхности излома. Хрупкая трещина распространяется

по не-

скольким параллельным плоскостям. Ступени

между

параллельными

пло-

скостями

могут

образоваться путем скола

или

пластического сдвига.

Сту-

пени

при

разрушении сливаются, образуя ручьистый узор.

Вязкий

чашечный

хрупкий ручьистый изломы относятся

транскри-

сталлитному разрушению.

При

исследовании

на

электронном микроскопе хрупкое разрушение,

идущее

по

границам зерен, выявляется

виде гладких поверхностей, часто

с некоторым количеством выделившихся частиц

(рис. 59, б, поз. 3).

Межзеренное разрушение обычно происходит

при

выделении

по

грани-

цам зерен частиц хрупкой фазы.

Многие металлы (Fe,

W, Mo, Zn и

др.), имеющие о. ц. к.

или г.

п.

у. кри-

сталлические решетки,

зависимости

от

температуры

могут

разрушаться

как

вязко,

так и

хрупко. Понижение температуры обусловливает переход

от вязкого

хрупкому разрушению.

Это

явление получило название хлад-

ноломкость.

Явление хладноломкости может быть объяснено

схе-

мой

А. Ф.

Иофе

(рис. 60).

Понижение температуры

без

изме-

нения

сопротивления отрыву

OTp

(разрушаю-

щего напряжения) повышает сопротивление

пластической деформации

ст

(предел текучес-

ти),

поэтому металлы, вязкие при сравнительно

высоких температурах,

могут

при

низких

тем-

пературах разрушаться хрупко.

указанных

условиях сопротивление отрыву достигается

при

напряжениях, меньших,

чем

предел теку-

;

чести. Точка пересечения кривых

OTp

и <т

, i

соответствующая температуре перехода метал-

ла

от

вязкого разрушения

хрупкому,

и на- а

оборот, получила название

критической

темпе-

Рис.

60.

Схема

хрупкого (Г) и вязкого (II) разрушений

металла

в зависимое™ от температуры испытания

п.х

Температура

ратуры

хрупкости,

или

порога

хладноломкости

(?„.

Чем выше ско-

рость деформации, тем больше склонность металла к

хрупкому

раз-

рушению. Все концентраторы напряжений способствуют

хрупкому

раз-

рушению. С увеличением остроты и глубины надреза склонность

хрупкому

разрушению возрастает. Чем больше размеры изделия, тем

больше вероятность хрупкого разрушения (масштабный фактор).

4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ

ПРИ

СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу

нагрузка возрастает медленно и плавно. К таким испытаниям относят ис-

пытания

на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и определение твердости.

Различные напряженные состояния, возникающие при том или

другом

методе

статических испытаний, принято оценивать коэффициентом жестко-

сти

СХ

где

тах

— наибольшее касательное напряжение;

max

— наибольшее приве-

денное нормальное (растягивающее) напряжение.

Чем выше значение растягивающих напряжений

max

по сравнению

с касательными, тем меньше значение а и тем более жесткое испытание.

Испытание

на растяжение является более жестким (ос = 0,5)" по сравнению

с испытанием на кручение (ос = 0,8), а наиболее мягкое — испытание на сжа-

тие (ос = 2,0).

Следует,

однако, иметь в

виду,

что жесткость испытаний определяется

не

только коэффициентом ос, но и свойствами того материала, который ис-

пытывают. Так, например, для большинства сталей и деформируемых

цветных сплавов, обладающих высокой пластичностью, испытание на рас-

тяжение является мягким, в то время как для малопластичного

чугуна

или

литейных алюминиевых сплавов — жестким, приводящим к

хрупкому

раз-

рушению.

Испытание

на растяжение. Этот вид испытания получил широкое рас-

пространение для конструкционных сталей, цветных металлов и их спла-

вов. Испытание на растяжение по

результатам

одного опыта позволяет

установить сразу несколько важных механических характеристик металла

или

сплава, определяющих его качество и необходимых для конструктор-

ских расчетов.

Для испытания на растяжение используют стандартные образцы

(ГОСТ 1497 — 73). Машины для испытаний снабжены прибором, записы-

вающим диаграмму растяжения (рис. 61, а).

Кривая

1 характеризует поведение (деформацию) металла под дей-

ствием напряжений, величина которых является условной (а), ее вычис-

ляют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную

В настоящем учебнике даются краткие сведения о механических свойствах. Более под-

робные сведения можно получить в работах: Золотаревскнй В. С. Механические испытания

свойства металлов. М., Металлургия, 1974; Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение.

М., Металлургия, 1975.

) и истинных ( ) напряжений;

1 б

0,1

Рис. 61.

Диаграммы:

—растяжения металлов для условных (— ) и истинных ( ) напряжений;

/—область упругой деформации; Л—.область пластической деформации; 111— область раз-

вития

трещин;

б — истинных напряжений

площадь поперечного сечения образца F

(cf^= P/F

, кгс/мм

). Кривая

2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений

S, величина которых является истинной, ее вычисляют делением нагрузки

Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца

этот же момент. При испытании на растяжение обычно пользуются диа-

граммой условных напряжений. Как видно из рис. 61, до точки А деформа-

ция

пропорциональна напряжению. Тангенс

угла

наклона прямой ОА к оси

абсцисс характеризует модуль упругости материала Е — а/5 (5 — относи-

тельная деформация). Модуль упругости Е определяет жесткость материа-

ла, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации.

Физический

смысл модуля упругости сводится к тому, что он характе-

ризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещению

атомов из положения равновесия в решетке.

Модуль упругости лишь весьма незначительно зависит от структуры

металла и определяется силами межатомной связи. Все

другие

механиче-

ские свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зави-

симости от структуры (обработки) в широких пределах.

Закон

пропорциональности

между

напряжением и деформацией являет-

ся

справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях,

даже при небольших напряжениях в упругой области, наблюдаются откло-

нения

от закона пропорциональности. Это явление называют

неупру-

гостью.

Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, от-

стает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при

нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии полу-

чается петля гистерезиса, так как линии нагрузки и разгрузки не совпа-

дают

между

собой.

Напряжение,

соответствующее точке А, называют

пределом

пропорцио-

нальности

(<7„ „). Обычно определяют условный предел пропорционально-

сти, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости

между

напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тан-

генс

угла

наклона, образованного касательной к кривой деформации

с осью напряжений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном

(упругом) участке.

Напряжения,

не превышающие предела пропорциональности, практиче-

ски

вызывают только

упругие

деформации, поэтому нередко его отождест-

вляют с условным пределом упругости (а

0 05

). Это не вполне точно, но

приемлемо для многих случаев практики. Предел упругости определяется

как

напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% (или

еще меньше) от первоначальной длины образца.

Напряжение,

вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%, на-

зывают

условным

пределом

текучести

(а

0 2

При

испытании железа и

других

металлов с о. ц. к.-решеткой при дости-

жении предела текучести ст

на кривой растяжения образуется площадка.

В этом

случае

- напряжение, отвечающее «площадке

текучести»

(физи-

ческий предел текучести). Образование площадки текучести связывают

с закреплением дислокаций атмосферами Котрелла (см. стр. 41). Напряже-

ния

при деформации металла

растут

до тех пор, пока дислокации не ото-

рвутся от закрепляющих их примесных атмосфер. Освобождение дислока-

ции

вызывает их лавинное движение и размножение при достигнутом

напряжении.

Предел текучести чаще всего выбирают в качестве одного из показате-

лей прочности. Величины а„

и а

характеризуют сопротивление малым

умеренным деформациям. Дальнейшее повышение нагрузки вызывает

более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла.

Напряжение,

отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разруше-

нию

образца, называют

временным

сопротивлением,

или

пределом

прочно-

сти о

(рис. 61, а).

У пластичных металлов, начиная с напряжения, отвечающего величине

, деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется

местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате

множественного скольжения и пересечения дислокации в шейке образуется

высокая плотность вакансий, укрупнение которых приводит к возникнове-

нию

пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется

направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент обра-

зец разрушается (точка С на рис. 61, а).

При

испытании на растяжение определяют, кроме того, характеристики

пластичности. К ним относятся относительное удлинение, 5 = -^——— 100%

'о

относительное сужение 4» =

—~——100%,

где /

и /

- длина образца до

после разрушения; F

и F

— площадь поперечного сечения образца до

после разрушения соответственно.

Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное

удлинение. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине