Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

а) б) в)

Рис. 4.5. Схема образования текстуры в поликристаллитном теле: а –

расположение зерен; б – изменение формы зерен в направлении главной

деформации; в - текстура

Различают два вида деформации: внутрикристаллитную (по зерну)

и межкристаллитную (по границам зерен).

Внутрикристаллитная деформация осуществляется путем сдвига,

скольжения, двойникования, как в монокристалле.

Межкристаллитная деформация осуществляется путем поворота,

перемещения одних зерен относительно других.

Оба вида деформации протекают одновременно. Деформация

начинается в зернах, плоскости скольжения которых составляют угол 45

направлением усилия (рис.4.5 а).

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна

меняют свою форму, вытягиваются в направлении главной деформации

(рис. 4.5 б) и образуют волокнистую или слоистую структуру. Такую

структуру называют текстурой (рис. 4.5 в), приводящей к анизотропии

свойств металла.

Металлы с ГЦК - решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК-

решеткой.

В результате пластической деформации с ростом плотности

дислокаций возрастает предел прочности металла, образуется текстура,

возрастают сопротивляемость металла деформации и твердость,

уменьшается пластичность и ударная вязкость, повышаются

электросопротивление и коэрцитивная сила, уменьшается магнитная

проницаемость.

С увеличением напряжений выше предела прочности возникают

магистральные трещины, и материал разрушается по вязкому или

хрупкому механизму.

4.2. Методы испытания металлов и сплавов

Для установления комплекса механических свойств металлов

образцы из исследуемого материала подвергают статическим и

динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к

образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

4.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение,

сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости.

В результате испытаний на статическое растяжение, которое

проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения

(рис.4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного

металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения:

а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных

напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное

напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации

являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости

от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая

деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением

и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и

пластическую деформацию.

• σ

пц

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне

напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует

механические свойства металлов:

- наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла

или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет

межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы

межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА

пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному

от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е=  / );

- напряжение 

пц

(рис. 4.6б), которое называется пределом

пропорциональности, соответствует моменту появления пластической

деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит

точка А;

- напряжение 

упр

(рис. 4.1б), которое называется пределом

упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной

малой величины, установленной условиями. Часто используют значения

остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие

пределы упругости обозначают 

0,005,



0,02

и т.д. Предел упругости – важная

характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих

элементов приборов и машин;

- напряжение 

0,2

, которое называется условным пределом

текучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %.

Физический предел текучести 

определяется по диаграмме растяжения,

когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на

растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет

Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно

характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а

напряжение 

0,2

несложно определяется при испытаниях независимо от

того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения.

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают

обычно меньше 

0,2

в 1,5 раза;

- максимальное напряжение 

, которое называется временным

сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность

материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется

по формуле



= Р

max

/ F

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают

меньше 

в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным

удлинением  и относительным сужением :

 = ( l

– l

) / l

 * 100,

 = ( F

– F

) / F

 * 100,

где l

и F

– начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

- конечная длина образца;

– площадь поперечного сечения в месте разрыва.

4.2.2. Твердость – способность материалов сопротивляться

пластической или упругой деформации при внедрении в него более

твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при

вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади

поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

HB = 2P / D D -  D

– d

,

где Р – нагрузка, кгс;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу;

в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в

испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120

или

закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

- предварительной Р

= 10 н;

- общей Р = Р

+ Р

, где Р

– основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

- для шкал А и С HR = 100 – (h – h

) / 0,002

- для шкалы В HR = 130 – (h – h

) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при

нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или

стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и

тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической

обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при

вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды

с углом между гранями 136

к площади поверхности полученного

пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

HV = 2P * sin /2 / d

= 1,854 P/d

где P – нагрузка, кгс;

 = 136

– угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по

расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла,

применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают

пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-

500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в

мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический

микроскоп.

4.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических

нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-

78) как удельную работу разрушения призматического образца с

концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра

(рис. 4.8): КС = К / S

( К – работа разрушения; S

– площадь поперечного

сечения образца в месте концентратора).

Рис. 4.8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м

) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы

КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид

концентратора: U-образный с радиусом надреза r

= 1 мм, V-образный с r

= 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU –

основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в

специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по

формуле

= Р * l

( cos  - cos ),

где Р - масса маятника, кг;

– расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

 - угол после удара;

 - угол до удара

4.2.4. Циклическая долговечность характеризует

работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся

циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения

напряжения между двумя его предельными значениями 

max

и 

min

течение периода Т (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R

изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют

различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под

действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств,

образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а

свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78).

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от

статической нагрузки имеет ряд особенностей:

- оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической

нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;

- разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее)

локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную

концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в

результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов

обработки, воздействия среды;

- разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих

процессы накопления повреждений в материале, образования трещин

усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну

магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;

- разрушение имеет характерное строение излома, отражающее

последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага

Химический

состав

Структурные

факторы

Влияние

окружающей среды

Силовые

воздействия

Упрочнение

твердого

раствора

Химическая

активность

среды

Влияние

температу-

ры

Дефектность

структуры

Дисперсность и

морфологическая

структура

Размер зерна,

блока, элементов

структуры

Харак-

терис-

тика

цикла

Морфология и

свойства

дисперсной фазы

Частота

нагружения

(постоянная,

переменная)

Характеристики

поверхности

Состояние

поверхности

(твердость,

напряжение

на

поверхностно

м слое)

Шероховатость

разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и

долома (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения

трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов

Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс

прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со

служебными свойствами данного изделия.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является

важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы

конструкции.

Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:

- природой сплава (типом решетки, химическим составом,

величиной зерна, загрязнением сплава);

- особенностью конструкции (наличием концентраторов

напряжений);

- условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием

нагрузки на металл).

Существует несколько критериев оценки конструкционной

прочности металлов и сплавов:

- критерии, определяющие надежность металлов против

внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость

разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины;

живучесть при циклическом нагружении);

- критерии, определяющие долговечность материала (усталостная

прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная

стойкость).

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1)

ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости

. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета

на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов

давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у

основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития

трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала

тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это

означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой

материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше

параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше

надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при

выборе материала для конструкций особо ответственного назначения

(летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения

температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его

определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при

понижающейся температуре.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения

строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12),

наблюдаемое в интервале температур (t

– t

) (граничные значения

температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой

составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT

Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком

разрушении (t  t

) до кристаллического блестящего при хрупком

разрушении (t  t

). Порог хладноломкости обозначают интервалом

температур (t

– t

) либо одной температурой t

, при которой в изломе

образца имеется 50 % волокнистой составляющей, и величина КСТ

снижается наполовину.

О пригодности материала для работы при заданной температуре

судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры

эксплуатации и t

. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое

состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше

температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

4.4. Пути повышения прочности металлов

Принято различать техническую и теоретическую прочность.

Техническую прочность определяют значением свойств: предела

упругости (

0,05

); предела текучести (

0,2

); предела прочности (

); модуля

упругости (Е); предела выносливости (

Под теоретической прочностью понимают сопротивление

деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы

согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия

и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются

относительно друг друга под действием напряжения сдвига.

Исходя из кристаллического строения и межатомных сил можно

ориентировочно определить теоретическую прочность металла по

следующей формуле:



теор

 G / 2,

где G – модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной

формуле, в 100 – 1000 раз больше технической прочности. Это связано с

дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего с существованием

дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией

плотности дислокаций (рис. 4.13).