книги / Основы металловедения и термообработки
..pdfДля металлов с кубической кристаллической решеткой можно принять
h * b и ттеор = G/ln » 0,15(г.
Уточнение расчета теоретической прочности при сдвиге с учетом кристаллографии скольжения в наиболее благоприят ных плоскостях и направлениях скольжения показали: для ме таллов с кристаллической решеткой ОЦК значение Ттсор » 0,11 G,
для ГЦК - « 0,039(7.
При расчете теоретической прочности кристалла на отрыв
(стпнх) исходят из того, что при увеличении расстояния между атомами (рис. 24) от Оо (в состоянии равновесия) до а (после раз рыва) напряжение изменяется по синусоиде a = fcsm n(;t-a0) и при малых смещениях справедлив закон Гука:
da = £ (dx/da),
где Е - модуль упругости в направлении растяжения.
Рис. 24. Схема растяжения идеального кристалла по Оровану (а)
и зависимость напряжения отрыва от деформации по Оровану (б)
Кроме того, энергия образования новых поверхностей раз дела, характеризуемая площадью под кривой на рис. 24, а, равна
Расчет показал, что ст^р « Е/10 и у = 0,01 Е • Обо значения теоретической прочности металла при отрыве
значительно больше теоретической прочности металла при сдвиге.
По сравнению с теоретической прочностью сопротивление деформации и прочность реальных металлов значительно мень ше. Дело в том, что пластическая деформация в реальных кри сталлах осуществляется путем последовательного перемещения имеющихся в реальных кристаллах дислокаций (рис. 25).
Рис. 25. Схема перемещения краевой дислокации при скольжении
Под действием касательного напряжения избыточная полу плоскость в верхней части кристалла соединяется в одну атом ную плоскость с расположенной ниже частью соседней атомной плоскости. Оставшаяся ее часть становится новой полуплоско стью, которая заканчивается дислокацией. Для смещения дисло кации на одно межатомное расстояние достаточно незначитель ного смещения группы атомов, что осуществляется при очень малых напряжениях, около ÎO^G. Выход дислокации на по верхность кристалла образует ступеньку, равную межатомному расстоянию в плоскости скольжения дислокации (величина век тора Бюргерса). В плоскости скольжения обычно расположены десятки дислокаций, выход которых на поверхность кристалла дает видимую под микроскопом ступеньку, называемую линией
скольжения. Группы близко расположенных линий скольжения образуют полосы скольжения.
Пластическая деформация монокристалла начинается в тех плоскостях скольжения, где касательные напряжения раньше достигают критической величины. С ростом деформации скольжение развивается и в других плоскостях скольжения, в том числе в пересекающихся плоскостях. В результате дисло кации взаимодействуют друг с другом, образуя сложную дисло кационную структуру.
При деформации поликристаллов на начальных стадиях зерна деформируются неоднородно, так как включаются раз личные системы скольжения. Выход большого числа дислока ций на поверхности кристаллов (границы зерен) изменяет их форму, сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. С ростом деформации различия между зернами уменьшаются.
Движение дислокаций в кристалле сопровождается их раз множением, плотность дислокаций возрастает: например в же лезеот р « 108 до р » 1012 см'2. Одним из основных механиз мов образования новых дислокаций является действие так назы ваемых источников Франка - Рида (рис. 26): закрепленная в двух точках дислокация под действием касательного напряже ния выгибается до образования расширяющейся дислокацион ной петли, после замыкания которой остающийся отрезок дис локации готов к повторному циклу.
Рис. 26. Последовательность образования (7-7)
новой дислокации при действии источника Франка - Рида
Препятствиями, закрепляющими дислокации и затруд няющими их движение, являются границы зерен и субзерен, частицы упрочняющих фаз и загрязняющих металл включений, дислокации, пересекающие плоскость скольжения. Скопления дислокаций создают поля напряжений, отталкивающие при ближающуюся дислокацию; чем сильнее отталкивание, тем труднее деформирование.
В результате холодной пластической деформации металла изменяются его физико-механические свойства. Изменение ме ханических свойств металла (рост прочности, снижение пла стичности - рис. 27) происходит наиболее интенсивно на на чальной стадии деформации.
Рис. 27. Зависимость механических свойств
от степени деформации
Упрочнение металла в результате деформации (наклеп) связано с ростом плотности дислокаций.
Пластическая деформация металла изменяет его структуру: зерна дробятся и вытягиваются в направлении деформации, внут ри их формируются линии скольжения и скопления дислокаций (рис. 28). Значительная пластическая деформация дает текстуру деформации металла - определенную кристаллографическую ориентацию зерен. Образование текстуры способствует появле нию анизотропии свойств вдоль и поперек направления волокон.
34
Рис. 28. Изменение формы зерна в результате скольжения:
а - схема и микроструктура металла до деформации;
6 - схема и микроструктура металла после деформации (х 150)
С ростом степени деформации возрастает удельное элек тросопротивление и коэрцитивная сила металла, а магнитная проницаемость, остаточная индукция и плотность - снижаются. Наклепанный металл быстрее корродирует.
Неравномерность деформации микрообъемов металла и не равномерность распределения плотности дефектов кристалличе ского строения создают в деформированном металле остаточ ные напряжения. Следствием образования текстуры деформа ции является анизотропия свойств. Явление наклепа используют для повышения прочности металла, а также для улучшения об рабатываемости резанием вязких и пластичных металлов (лату ни, сплавы алюминия и др.).
Разрушение, как заключительная стадия деформирования металла, представляет собой на атомном уровне процесс разрыва межатомных связей с образованием новых поверхностей. В зави симости от степени пластической деформации перед разрушени ем различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое.
35
Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным на пряжениям. Под их действием упругая деформация (искажение) кристаллической решетки достигает предельной степени, и раз рушение можно представить как последовательный разрыв меж атомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой, т.е. как быстрое распространение несплошности (трещины), возникающей вследствие локального превышения теоретиче ской прочности металла. Хрупкая трещина развивается с боль шой скоростью (« 0,4 скорости звука в металле, « 2 • 103 м/с) за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии.
При вязкомразрушении упругая деформация кристаллической решетки не достигает критической степени, так как релаксация локальных напряжений происходит не разрывом межатомных свя зей, а сдвигом атомов в плоскости скольжения, т.е. за счет осуще ствления дислокационного процесса пластической деформации. Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием каса тельных напряжений. Плоскость скольжения расположена под уг лом 45° к направлению главных нормальных напряжений.
Разработано несколько моделей дислокационного механиз ма зарождения вязкой микротрещины (рис. 29) и ее роста до критической величины.
Рис. 29. Дислокационные модели зарождения микротрещин:
а - модель Зинера - Стро; б - модель Коттрелла
Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое дефор мирование металла впереди растущей трещины. При вязком
36
разрушении трещина «тупая», поверхность излома характеризу ется значительной степенью пластической деформации (рис. 30). Удельная работа вязкого разрушения (работа образо вания единицы поверхности излома) достаточно велика.
аб
Рис. 30. Вид трещины и схемы разрушения
(сечение перпендикулярно поверхности излома):
а - хрупкое; б - вязкое
Трещина хрупкого разрушения имеет малый угол раскры тия и очень малую деформированность поверхности излома. Удельная работа хрупкого разрушения очень мала.
Для большинства металлов разделение разрушения на хрупкое и вязкое проводится условно по преобладанию того или иного типа.
3.2. Прочность и пластичность металла,
определяемые при статическом растяжении
При выборе материала деталей проектируемой машины конструкторы руководствуются механическими свойствами ма териалов, количественными характеристиками механических свойств. Знание этих характеристик необходимо для расчета размеров деталей (диаметра вала, толщины стенки сосуда дав ления и т.п.), достаточных для их надежной работы в машине при заданных нагрузках и условиях нагружения (температура, скорость, схема напряженного состояния).
Характеристики прочности и пластичности материалов оп ределяют лабораторными испытаниями образцов одноосным растяжением на разрывных машинах. При испытаниях записы вают диаграмму растяжения, фиксирующую нарастание нагруз ки на образец по мере увеличения его деформации (удлинения) до момента разрушения. Эскизы некоторых типов образцов, ис пытываемых растяжением, представлены на рис. 31. Типичная диаграмма растяжения образца малоуглеродистой стали приве дена на рис. 32.
Рис. 31. Внешний вид и основные размеры образцов для испытаний на растяжение до начала нагружения
Рис. 32. Типичный вид диаграммы растяжения малоуглеродистой стали
Начальный участок диаграммы растяжения описывает про порциональную зависимость между нагрузкой Р и удлинением А/, что соответствует упругой деформации образца: после сня тия нагрузки упругая деформация устраняется. Существует пре дельное значение нагрузки Рт„до которого на диаграмме «P - AI» сохраняется прямолинейный участок. Заметное отклонение диа граммы деформации от прямолинейности определяет нагрузку течения (Рт), т.е. нагрузку начала остаточной (пластической) деформации, не устраняемой при снятии нагрузки.
На кривой деформации отмечают также максимальную на грузку Лпа* и конечную нагрузку разрушения Рк. Снижение на грузки от Рпих до Рк свидетельствует о том, что пластическая деформация становится сосредоточенной и на образце образует ся «шейка».
Абсолютное удлинение образца А/ может быть определено по диаграмме растяжения или непосредственно измерением длины образца до испытания (/0) и после испытания (/к): А/ = /к- /о- После испытаний определяют также абсолютное сужение образца AF = F0 - FK, т.е. уменьшение площади попе речного сужения образца.
Для того чтобы результаты испытаний различных образцов были сопоставимы, значения нагрузок Рпа>РТ, Ръ относят к пло щади начального сечения образца F0, что дает характеристики прочности материала в значениях напряжения (кг/мм2 или МПа).
- Стад =Pnu/F 0- предел пропорциональности,
-стт -P T/F0 - предел текучести,
-ст, = PMK/FQ- предел прочности (временное сопротивление).
Впроцессе растяжения образца диаметр его рабочей части уменьшается и истинное напряжение деформации SK= Р /F , где
Ри F нагрузка на образец и реальная площадь сечения образца в каждый момент деформации. Истинное напряжение разруше ния SK после сосредоточенной деформации в «шейке» значи
тельно превышает предел прочности Ств-
Пластичность материала оценивается величинами - относительного удлинения S = А1/10• 100 % и
- относительного сужения vp = AF/F0 •100 % .
Часто определяют условный предел текучести 0 О,2 - напря жение, вызывающее остаточную деформацию образца на вели чину 0,2 % относительного удлинения.
Наклон начального участка диаграммы деформации опре деляет модуль нормальной упругости материала Е (модуль Юн га). Напряжение (а = P/F0) и относительная деформация мате
риала (е= А///0) на этом участке связаны законом Гука с = Е- е .
3.3. Методы измерения твердости металлов
Определение характеристик механических свойств ств, а0,2, 5 и vp связано с длительным изготовлением и испытанием об разцов. Для приближенной оценки механических свойств ме талла очень часто используют методы измерения твердости не посредственно заготовок и деталей.
Твердость материала - это сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформи рующегося при испытании. Это означает, что твердость - харак теристика сопротивления металла деформации. Индентором при испытаниях на твердость может быть конус, шарик, пирамида.
Испытания материалов на твердость получили очень ши рокое применение благодаря простоте их проведения и воз можности измерения твердости на готовых деталях и изделиях. Твердость позволяет оценить такие служебные свойства, как сопротивление износу, способность обрабатываться резанием, выдерживать местные давления, режущие свойства и др.
Испытания материалов на твердость чаще всего проводят методами Бринелля, Роквелла, Виккерса (рис. 33), а для оценки твердости микрообъемов - методом измерения микротвердости.