Золотаревский В.С. Механические свойства металлов
Подождите немного. Документ загружается.
Влияние
выделений
избыточных
фаз
Выделения
избыточных
фаз
могут
обеспечить
прирост
проч
ности
вплоть
до температуры
солидуса
сплава.
Но
не
все
вьщеле
ния
вызывают
упрочнение,
а
если
оно
и
наблюдается,
то
изме
няется
в
широких
пределах.
При
рост
прочности
за
счет
введения
частиц
избыточных
фаз
зависит
в
первую
очередь
от
свойств
и
структуры
этих
фаз,
их
связи со
структурой
матрицы,
формы
и
размера
частиц
и
расстояния
между
ними,
характера
распределе
ния
частиц
в
матрице.
В
общем
можно
сказать,
что
наибольшего
упрочнения
сплава
можно
ожидать
в
тех
случаях,
когда
вторая
фаза
дисперсна,
равномерно
распределена
в
объеме
сплава,
а
расстояние
между
ее
частицами
мало.
Все
или
часть
зтих
условий
выполняются
при дисперсионном
упрочнении
сплавов.
Дисперсионное
упрочнение,
или
твердение,
достигается
при
старении
(отпуске)
в
результате
распада
образовавшегося
после
закалки
пересышенного
твердого
раствора
(метастабильной
фазы).
В
других
случаях
упрочнение
в
результате
введения
мелких
частиц
избыточных
фаз
называют
дисперсным.
В
последние
годы
все
бо
лее
широко
применяется
внутреннее
окисление,
при
котором
диффундирующий
в
образец
при
окислительном
отжиге
кисло
род
взаимодействует
с
химически
активными
легирующими
эле
ментами,
образуя
равномерно
распределенные
в
объеме
диспер
сные
вьщеления
оксидов.
Чаще
всего
дисперсное
упрочнение
реализуется
в
порошко
вой
металлургии,
когда
к
металлу-основе
добавляют
порошок
заранее
приготовленной
фазы-упрочнителя,
не
взаимодействую
щей
с
матрицей
(например,
Th0
2
к
вольфраму).
Затем
эту
смесь
порошков
подвергают
обработке
и
получают
материал,
структура
которого
состоит
из
зерен
матрицы
с
равномерно
распределен
ными
в
ней
включениями
избыточной
фазы.
Дисперсионно-
и
дисперсно-упрочненные
материалы
обладают,
как
правило,
бо
лее
низкой
пластичностью,
чем
неупрочненная
матрица.
О
механизме
упрочнения
сплавов
за
счет
частиц
избыточных
фаз
уже
говорилось
выше
(см.
гл.
111
и
У).
Эти
частицы
пересекают
плоскости
скольжения
дислокаций
матрицы
и
препятствуют
их
перемещению.
Если
частицы
дисперсны,
близко
расположены
и
когерентны
матрице,
то
дислокации
могут
проходить
через
них,
<mеререзать»
частицы
(рис.
113,
а).
Если
же
частицы
некогерент
ны
матрице
и
достаточно
далеки
одна
от
другой,
то
дислокации
220
«проталкиваются»
между
ними,
оставляя
петли
вокруг
частиц
(см.
рис.
113,6).
Напряжение,
необходимое
для
такого
проталкивания
't
=
't
o
+ aGb/l,
(69)
где
То
-
напряжение
течения
материала
матрицы
без
вьщелений;
1-
расстояние
между
частицами;
а
-
коэффициент.
В
первом
приближении
это
напряжение
должно
соответство
вать
напряжению
течения
гетерофазного
сплава
(с
монокристаль
ной
матрицей).
Зависимость
напряжения
течения
от
объемной
доли
Q
некогерентных
частиц
определяется
уравнением
't
=
't
o
+ G' [
Q1П
/ (0,82 -
QI/З)]
/
4а,
где
G' -
модуль
сдвига
избыточной
фазы.
Как
видно
из
формулы
(69),
прочностные
свойства
растут
об
ратно
пропорционально
расстоянию
1
между
частицами
до
тех
пор,
пока
1
не
станет
величиной
того
же
порядка,
что
и
мини
мально
возможный
радиус
изгиба
дислокационной
линии
(50-
100
межатомных
расстояний).
При
меньших
расстояниях
между
выделениями
дислокации
могут
перемещаться
только
через
них.
Это
становится
возможным
при
условии
хотя
бы
частичной
коге
рентности
структур
выделения
и
матрицы,
когда
определенные
плоско~ти
и
направления
кристаллической
решетки
матрицы
плав
но
продолжаются
в
решетке
вьщеления.
Такая
ситуация
возника
ет
обычно
на
ранних
стадиях
старения,
если
внутри
твердого
ра
створа
образуются
зоны
Гинье-Престона
или
промежуточные
фазы.
При
перерезании
дислокациями
выделений
упрочнение
дос
тигается
вследствие
ряда
причин.
Движению
дислокаций
препят
ствует
поле
упругих
напряжений
вокруг
вьщеления.
Для
переме
щения
дислокаций
внутри частиц
требуются
более
высокие
на-
8
ee~
q
Рис.
'lЗ.
Взаимодействие
дислокаций
с
частицами
второй
фазы:
а
-
перерезание
"астиц;
б
-
протал
кивание
между
частицами
с
образованием
петель
.,
-
А
~I
8
А'
@
@)
@
6
в'
221
пряжения,
так
как
их
модуль
сдвига
обычно
выше,
чем
у
матри
цы.
Если
вьщеление
имеет
упорядоченную
структуру,
то
необхо
димо
затратить
дополнительную энергию
для
разупорядочения
в
плоскости
скольжения.
Как
видно
из
схемы
(см.
рис.
113,
а),
после
прохождения
дислокации
через
частицу
образуются
новые
по
верхности
раздела
между
ней
и
окружающей
матрицей.
Это
также
требует
дополнительного
напряжения.
Если
частицы
со
средним
радиусом
r
имеют
неупорядоченную
структуру,
то
напряжение
течения,
необходимое
для
пере
резания
частиц,
определяется
выражением
't
=
't
o
+ (/6 /
7t)(Qy
s /
г),
где
Q -
объемная
доля
вьщелений;
У
•
-
поверхностная
энергия
на
границе
раздела
матрица-вьщеление.
Из
рассмотренного
следует,
что
дисперсионное
упрочнение
может
быть
обусловлено
как
обходом,
так
и
перерезанием
частиц
дислокациями.
При
дисперсном
упрочнении
вторая
фаза,
как
правило,
не
когерентна
матрице,
а
расстояние
между
отдельны
ми
частицами
намного
больше минимального
радиуса
изгиба
дис
локации.
Поэтому
здесь
дислокации
не
должны
проходить
через
частицы,
и
максимальная
степень
упрочнения
меньше.
Но
на
практике
это
подтверждается
только
при
относительно
низких
температурах,
когда
в
результате
дисперсионного
упрочнения
действительно
можно
получить
значительно
больший
относитель
ный
прирост
прочности,
чем
при
дисперсионном
упрочнении.
При
высоких
температурах
(>0,5-0,6
тол)
продукты
старения,
как
правило,
становятся
грубыми
(они
коагулируют
в
процессе
работы
при
высокой
температуре)
и к
тому
же
менее
стабильны
ми,
чем
частицы
в
дисперсноупрочненных
материалах.
В
резуль
тате
высокотемпературное
упрочнение
таких
материалов
более
значительно,
чем
в
закаленных
и
состаренных
сплавах.
Увеличение
количества
дисперсных
частиц второй
фазы
одно
значно
повышает
все
характеристики
сопротивлеия
малым
де
формациям.
Однако
параллельно
этому
происходит
снижение
показателей
пластичности.
В
результате
зависимость
характерис
тик
предельной
прочности
от
количества
дисперсных
частиц
дол
жHa
описываться
кривой
с
максимумом.
Частицы
избыточных
фаз
содержатся
в
структуре
многих
спла
вов,
не
подвергающихся
дисперсионному или
дисперсному
уп-
222
рочнению.
Они
могут
образовываться
при
кристаллизации,
выде
ляться
или
видоизменяться
в
процессе
деформации,
отжига
и
т.
д.
Такие
частицы
по
размерам и
расстоянию
между
ними
обычно
на
порядки
больше,
чем
те,
которые
обеспечивают
максимальное
упрочнение,
например,
при
старении
или
внутреннем
окисле
нии.
Двух-
и
многофазные
сплавы
с
такими
частицами
рассмат
ривают
как
механические
смеси,
свойства
которых
аддитивно
складываются
из
свойств
отдельных
фаз,
составляющих
данную
смесь.
Строго
говоря,
правило
аддитивности
должно
выполнять
ся
только
в
том
случае,
если
в
процессе
испытания
все
фазы
принимают
одинаковое
участие
в
деформации
образца.
В
реаль
ных
сплавах
свойства
разных
фаз
обычно
существенно
различа
ются.
Если,
например,
основная
фаза
относительно
мягка
и
пла
стична,
а
избыточная
-
тверда
и
хрупка,
то
деформация
образца
осуществляется
в
основном
в
результате
деформации
матрицы,
правило
аддитивности
не
выполняется,
хотя,
конечно,
с
увели
чением объемной
доли
твердой
фазы
прочностные
свойства
сплава
растут,
а
пластичность
падает.
Большое
значение
имеет
характер
распределения
крупных
ча
стиц
избыточных
фаз
в
гегерофа:зных
сплавах.
Если
они
хрупки
и
располагаются
в
~дe
сплошных
целочек
по
границам
зерен,
то
сплав
имеет
низкие
пластичность
(8
и
\jI
близки
к
нулю)
и проч
ность.
Если
же
они
равномерно
распределены
по
объему
сплава
в
виде
компактных
включений,
то
механические
свойства
выше.
Компактные
(например,
сферические)
включения
второй
фазы
обеспечивают
более
высокие
характеристики
предельной
проч
ности
и
пластичности
по
сравнению
с
игольчатыми
и
пластинча
тыми
частицами,
даже
если
последние
распределены
только
по
телу
зерна.
Все
эти
факты
можно
объяснить
большей
легкостью
зарождения
и
развития
трещин
вдоль
или
вблизи
границ
зерен,
занятых
избыточными
вьщелениями,
и
вдоль
вытянутых
частиц
хрупкой
фазы.
Выше
отмеЧaJlOСЬ,
что
частицы
избыточных
фаз,
более
хруп
кие,
чем
матрица,
снижают
характеристики
пластичности.
Но
в
некоторых
случаях
возможно
и
повышение
пластичности
при
вве
дении
дозированного
количества
частиц
определенной
формы
благодаря
уменьшению
длины
зародышевых
трещин
(см.
гл.
IV).
Частицы
избыточных
фаз
обычно
усиливают
анизотропию
ме
ханических
свойств
деформированных
сплавов.
При
обработке
давлением
эти
частицы
вытягиваются
вдоль
направления
(и
плос-
223
кости)
деформации,
образуя
характерную
строчечность.
Харак
теристики
пластичности,
а
часто
и
прочности,
определяемые
на
образцах,
ось
которых
перпендикулярна
направлению
деформа
ции
при
обработке,
значительно
ниже,
чем
у
продольных
образ
цов.
Например,
прессованная
полоса
из
сплава
Д16
после
закал
ки
и
искусственного старения
имеет
следующие
свойства
при
растяжении
образцов,
вырезанных
в
различных
направлениях'.
Напрамение
аО.2'
МПа
а.,
МПа
Sk'
МПа
Б,
%
0/,
%
вырезки
Долевое
.......................... 390 495 587
10,2
15,8
Под
углом
450
к
напрамению
прес-
сования
.......................... 307 426 470 6,7
11
Высотное
........................ 325 402 427 2,7
5,6
6.
Применение
концентраторов
напряжений
при
статических
испытаниях
Самым
жестким
из
стандартных
статических
испытаний
глад
ких
(без
надрезов)
образцов
является
испытание
на
растяжение
с
а.
= 0,5.
Для
многих пластичных
конструкционных
материалов
такой
жесткости
недостаточно
для
хрупкого
разрушения
даже
при
глубоких
отрицательных
температурах.
Но
в
реальных
условиях
эти
материалы
часто
разрушаются
хрупко
в
первую
очередь
из-за
на
личия
различных
концентраторов
напряжений
-
механических
надрезов,
поверхностных
и
внутренних
трещин,
резких
перехо
дов
от
толстого
К
более
тонкому
сечению
и
др.
Поэтому
их
конст
рукционная
прочность
может
оказаться
значительно
ниже,
чем
определенная
методом
обычных
статических
испытаний.
Необхо
дима,
следовательно,
постановка
специальных
испытаний
для
оценки
«чувствительности»
материала
к
концентрации
напряже
ний.
Испытания
образцов
с
надрезом
Наиболее
известные
и
распространенные
испытания
с
приме
нением
концентраторов
напряжений
-
испытания
на
растяже-
I
По
данным
П.
Г.
Микляева,
Г.
С.
Нешпора
и
В.Г.
Кудряшова.
224
ние и
изгиб
образцов
с
надрезом.
На
образцы
круглого
сечения
обычно
наносят
кольцевой
надрез,
на
прямоугольные
образцы
для
растяжения
-
симметрично
по
двум
сторонам
сечения,
а
на
образцы
для
испытаний
на
изгиб
-
вдоль
одной
стороны
сечения
перпендикулярно
продольной
оси.
Надрез
существенно
влияет
на
распределение
нормальных
на
пряжений.
На
рис.
114
показана
схема
раслределения
нормальных
напряжений
в
сечении
кольцевого
надреза,
стенки
которого
рас
положены
под
углом
45"
к
продольной
оси
растяжения
образца.
Схема
относится
к
области
упругой
деформации.
В
месте
надреза
возникает
объемное
растяжение,
и
[шах'
снижается.
К
тому
же
у
основания
надреза
величина
нормальных
напряжений
S.,
S2
и
Sз,
особенно
S,
(продольных),
оказывается
намного
больше,
чем
в
центре
сечения.
Это
приводит
к
снижению
коэффициента
мягко
сти
испытания
и
является
щ~овной
причиной
преждевременно
го
разрушения
образцов
и
конструкций
с
надрезом.
В
плоском
образце
в
области
надреза
возникает
схема
двухосного
растяже
ния.
Для
количественной
оценки
жесткости
надреза
используют
коэффициент
концентрации
напряжений
-
отношение
наиболь
шего
напряжения
к
номинальному
(без
учета
неравномерности
распределения
напряжений).
Например,
в
случае
растяжения
об
разца
с
круговой
выточкой
(см.
рис.
114)
коэффициент
концен
трации
нормальных
напряжений
а.
= S
/S
(J
Iшах
'
(70)
где
S =
Р
/
Р,
F -
площадь
поперечного
сечения
образца
в
месте
надреза.
Коэффициент
концентрации
напряже
ний
определяется
геометрией
надреза.
Чем
больше
глубина
и
острота
последнего,
тем
он
жестче,
тем
легче
получить
хрупкое
разрушение.
Практически
для
любого,
даже
очень
пластичного
металла
можно
подобрать
такие
форму
и
размеры
образ
ца
и
надреза,
которые
обеспечат
хрупкое
разрушение
в
заданных
условиях
испыта
ния.
Критерием
чувствительности
матери
ала
к
надрезу
служит
отношение
услов-
8 -
3755
t
Рис.
114.
Схема
распределения
нормальных
напряжений
в
се
чен
ии
надреза
растягиваемого
образuа
225
ных.
пределов
прочности
гладкого
и
надрезанного
образцов
(а/
а:).
Чем
оно
больше,
тем
сильнее
чувствительность
данного
мате
риала
к
надрезу;
максимально
и
всегда
больше
единицы
это
от
ношение
у
хрупких
материалов.
Для
высокопрочных
сплавов
а/а:
также
обычно
больше
единицы,
особенно
если
показатели
плас
тичности
образцов
с
надрезом
сильно
снижаются
по
сравнению
с
гладкими.
Для
пластичных
сплавов
это
отношение
может
быть
меньше
единицы,
если
жесткость
надреза
недостаточна
и
обра
зец
с
надрезом
имеет
возможность
пластически
деформировать
ся.
Например,
образцы
стали
ЗОХГСА
диаметром
10
мм
с
коль
цевым
надрезом
глубиной
1
мм
и
углом
надреза
(.()
= 60·
имеют
а:
на
60%
выше
а
•.
Для
получения
сопоставимых
результатов
важно
унифициро
вать
форму
образцов
и
методику
испытаний.
В
наиболее
распрос
траненных
испытаниях
на
растяжение
угол
надреза
(.()
(см.
рис.
114)
задается
в
пределах
от
45
до
60·,
радиус
закругления
r
k
~
0,1
мм,
а
относительное
сужение
в
месте
надреза
'JI
H
=
(d~
-
d~)/a
= 25750
%.
На
рис.
115
показано
влияние
одной
из
характеристик
надреза
-
его
остроты
(радиуса
r
k
на
рис.
114)
-
на
геометрию
диаграм
мы
растяжения
стали.
Видно,
что
с
уменьшением
r
k
величина
а
n
сначала
растет,
а
затем
снижается,
удлинение
же
уменьшается
плавно.
Чаше
всего
испытания
образцов
с
надрезом
проводят
по
схе
мам
одноосного
растяжения,
а
также
изгиба.
При
других схемах
р
0.5/1/1
0,25/1/1
.11
Рис.
115.
Схемы
диаграмм
раС1;яжения
образцов
с
разным
радиусом
надреза
г,
226
статического
нагружения
влияние
надрезов
менее
заметно.
На
пример,
при
испытании
на
кручение
образцов
с
колъцевым
над
резом
прочносгь
многих
сталей
и
алюминиевых
сплавов
получа
ется
примерно
такой
же,
как
и
при
испытании
гладких
образцов.
Наиболее
широко
распространен
метод
растяжения
надрезан
ного
образца
с
пере
косом
,
который
обеспечивается
установкой
под
его
головку
в
одном
из
захватов
испытательной
машины
ко
сой
шайбы
с
определенным
углом
перекоса.
Значения
характери
стик
пластичности
(0/,
Б)
образцов
с
надрезом
хорошо
скоррели
рованы
с
чувствительностью
к
перекосу.
Обычно
повышение
пла
стичности
снижает
чувствительность
и к
надрезу,
и
к
перекосу.
Испытания
на
растяжение
с
перекосом
образцов
с
надрезом
мак
симально
выявляют
различия
св~йств
гладких
и
надрезанных
об
разцов.
Испытания
образцов
с
надрезом
характеризуются
худшей
вос
производимостью
результатов,
чем
при
испытании
гладких
об
разцов,
и
требуют
поэтому
использования
большего
числа
образ
цов.
Значительный
разброс
данных
при
испытании
образцов
с
надрезом
связан
с
неоднородностью
их
деформации:
надрез,
по
вышая
напряжение
у
своей
вершины,
одновременно
снижает
напряжения
в
других
частях сечения.
Поэтому
дЛя
повышения
конструкционной
прочности
наносят
так
называемые
разгружа
ющие
надрезы,
которые
располагаются
в
менее
напряженных
местах
и
должны
быть
более
мягкими,
чем
основной
надрез.
Та
кие
разгружающие
надрезы,
несколько
повышая
напряжения
в
местах
нанесения,
уменьшают
их
у
вершины
основного
надреза
и,
следовательно,
приводят
к
более
равномерному
распределе
нию
напряжений
и
деформаций,
обеспечивая
повышение
проч
ности
конструкций.
Испытания
на
вязкость
разрушения
в
последние
годы
все
большее
распространение
получают
ста
тические
испытания
образцов
с
надрезом
и
трещиной
дЛя
опре
деления
вязкости
разрушения
--
сопротивления
распростране
нию
трещины.
Эти
испытания
теперь
стандартизованы
--
ГОСТ
25.506--85.
Они
особенно
важны
дЛя
высокопрочных
сплавов,
которые
могут
иметь
удовлетворительные
характеристики
плас
тичности
при
обычных
испытаниях,
но
хрупко
разрушаться
при
наличии
надрезов
и
трещин
в
реальных
конструкциях.
8·
227
Теоретической
базой
испытаний
на
вязкость
разрушения
яв
ляется
линейная
механика
разрушения,
анализирующая
распре
деление
напряжений
у
переднего
края
трещины
(см.
гл.
IV).
Наи
большее
развитие
получили
испытания
для
определения
коэф
фициента
интенсивности
напряжений
при
плоской
деформации
K
1c
'.
Эта
характеристика
стала
важнейшим
количественным
кри
терием
разрушения
высокопрочных
металлических
материалов.
Принципиальным
преимушеством
I<rc'
по
сравнению
с
други
ми
характеристиками
предельной
прочности
(например,
а.,
Sb'
Sk
при
растяжении,
t
k
при
кручении)
является
то,
что
вязкость
раз
рушения
учитывает
и
длину
трещины.
Любой
критерий
разруше
ния,
выраженный
через
напряжение,
предполагает,
что
разру
шение
происходит
мгновенно
по
достижении
этого
напряжения.
На
самом
деле
всякое
разрушение
-
это результат
развития
тре
щины,
и
поэтому
характеристика
предельной
способности
к
тор
можению
разрушения
должна
включать
не
только
напряжеиие,
но
и
длину трещины.
На
базе
линейной
механики
разрушения
предложен,
помимо
I<rc
ряд
других
критериев.
Для
листовых
материалов,
в
частности,
определяют
вязкость
разрушения
К
с
в
условиях
плоского
напря
женного
состояния
(K
1c
измеряется
при
объемном
напряженном
состоянии
у
вершины
трещины).
Но
I<rc
отличается
хорошей
вос
производимостыо
при
экспериментальном
определении,
незави
симостью
от
формы
и
размеров
образцов,
если
соблюдаются
ус
ловия
правильного
проведения
испытаний,
методика
которых
фактически
стандартизована
в
международном
масштабе.
Их
проводят
предпочтительно
по
схеме
изгиба
или
вне
цент
ренного
растяжения.
В
обоих
случаях
используюг
образцы
с
пря
моугольным
поперечным
сечением
(0=
1/2Ь)
и
односторонним
надрезом
с
о)
= 30+60·
длиной
0,25-0,45Ь
(рис.
116,
о,
б)
.
Поми
мо
надреза,
в
образец
перед
началом
испытания
должна
быть
введена
усталостная
трещина
(см.
гл.
IХ).
Она
инициируется
над
резом
и
развивается
от
его
вершины
в
глубь
образца.
Размер
1
(см.
рис.
116)
соответствует
общей
глубине
надреза,
которая
склады
вается
из
длины
трещины
и
высоты
механически
нанесенного
надреза.
Отношение
1
к
высоте
сечения
Ь
должно
быть
в
пределах
0,45-0,55.
Соотношения
всех
размеров
образца,
надреза
и
трещины
име
ют
в
этих
испытаниях
особое
значение,
поскольку
они
должны
обеспечить
условия
плоской
деформации
у
вершины
трещины
и
228
упруго-напряженное
состояние
вдали
от
нее.
Только
в
этом
слу
чае
возможно
правильное
определение
вязкости
разрушения
~c'
Основное
требование
к
размерам
образца
сводится
к
тому,
что
бы
толщина
сечения
а
была
не
меньше
2,5
(К'.!(30.2)
,
где
(30,2 -
условный
предел
текучести
материала
при
обычном
растяжении
в
тех
же
условиях
(температура,
скорость
деформации).
Следовательно,
образцы
из
разных
материалов
и
в
разных
ус
ловиях
испытания
должны
иметь
разные
абсолютные
размеры.
Эги
размеры
определяют
до
испытания,
исходя
из
известных
значе
ний
предела
текучести
и
приближенной
оценки
~c'
Например,
......-f"г------,·~Iiа
РозреJ
через
ос:>
ноiJрез
20+
5,.1/1
20+51111
(мuнuмольно)
(МUНUI10Л6НО)
t
R=o,ll1l1
L
а
'Iucmomo
осрооumкu
/5
6
Рис.
I I
б.
Образцы
для
испытаний
на
вязкость
разрушения
К"
по
схеме
изгиба
(а),
BHeueJlтpeHHO
го
растяжения
(6)
и
для
определения
К,
(в)
229