книги / Материаловедение.-1

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого или парообразного состояния (более 106 град/с) образование зародышей и рост кристаллов подавляются. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура, свойства которой значительно отличаются от свойств того же материала с кристаллической структурой. Многие аморфные материалы удачно сочетают высокую прочность, твердость и износостойкость с хорошей пластичностью и коррозионной стойкостью, а также имеют особые физические свойства (большое удельное электросопротивление, малая коэрцитивная сила и т.д.).

11

ТЕМА 2. ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ

ИМЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

2.1.УПРУГАЯ И ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ

Напряжения любого вида вызывают деформацию тела, т.е. изменение его формы и размеров. С увеличением напряжения деформация увеличивается. Когда способность тела деформироваться исчерпывается, то происходит его разрушение. Способность материала сопротивляться деформации и разрушению называется прочностью.

Деформация может быть упругой и пластической (рис. 4). Упругая деформация существует только во время приложения нагрузки и полностью исчезает после ее снятия. Механизм упругой деформации состоит в изменении расстояния между атомами в направлении действующей силы. Пластической деформацией называется изменение формы и размеров тела, сохраняющееся после снятия нагрузки. Основным механизмом пластической деформации является сдвиг атомов.

Рис. 4. Схема деформирования кристаллической решетки: а – без нагрузки; б – упругая деформация; в – пластическая деформация

Если сдвиг происходит в идеальной кристаллической решетке, то для его осуществления требуется разорвать связи ме-

12

жду всеми атомами в плоскости сдвига. В этом случае напряжение сдвига (теоретическую прочность) можно рассчитать по формуле S = G / 2π ≈ 0,16G, где G – модуль сдвига.

Действительно, экспериментально определенные значения прочности металлических «усов» (монокристаллические нити, практически не содержащие дефектов кристаллического строения) близки к расчетным. Однако прочность реальных металлов в сотни и тысячи раз меньше. Такое различие теоретической

иэкспериментально определяемой прочности металлов объясняется несовершенством их кристаллического строения. При наличии множества дислокаций сдвиг одной части кристалла относительно другой не сопровождается разрывом межатомных связей, а происходит путем движения (скольжения) дислокаций. Гипотеза об участии дислокаций в пластической деформации кристаллов была выдвинута в середине 1930-х годов и лишь через 15–20 лет (после создания трансмиссионного электронного микроскопа) была подтверждена экспериментально. Механизм пластической деформации, основанный на скольжении дислокаций, может быть сопоставлен с перемещением по полу ковра, на котором специально сделана складка (рис. 5).

Перемещение складки, требующее сравнительно небольших усилий, приводит к перемещению всего ковра в том же направлении. Функцию складки в металлических кристаллах выполняют дислокации. Перемещение дислокации на одно межатомное расстояние происходит без разрыва атомных связей

итребует лишь небольшого смещения атомов (на расстояние меньше межатомного) вблизи ядра дислокации.

Таким образом, пластичность металлов (возможность сдвига) обусловлена наличием в них дислокаций и зависит от подвижности последних. В пластичных металлах дислокации легко подвижны. Затруднение движения дислокаций любыми методами приводит к упрочнению. Движение дислокаций затрудняют границы зерен и субзерен, упругие искажения кристаллической решетки (например, при растворении инородных

13

2.2. НАКЛЕП И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Наклепом называется упрочнение металлов, происходящее в результате пластической деформации при процессах холодной обработки давлением (холодная прокатка, штамповка, протяжка, волочение). Поскольку пластическая деформация осуществляется путем скольжения дислокаций, то очевидно, что пластичность должна зависеть от количества дислокаций (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость прочности металлов от плотности дислокаций (кривая Одинга): 1 – идеальный кристалл без дефектов; 2 – нитевидные кристаллы («усы»); 3 – отожженные металлы; 4 – металлы, упрочненные холодной деформацией и другими способами, обеспечивающими высокую плотность дефектов кристаллического строения

Наибольшая пластичность (и наименьшая прочность) достигается при равновесной плотности дислокаций ρ = 106–107 см–2. Изменение количества несовершенств кристаллического строения в ту или иную сторону приводит к затруднению пластической деформации и увеличению прочности.

15

В процессе холодной пластической деформации происходит значительное увеличение плотности дислокаций (до 1010–1012 см–2) и, как следствие, упрочнение (наклеп). Это явление широко применяют на практике для повышения прочности металлов. Во многих случаях для увеличения твердости, предела прочности, выносливости достаточно поверхностного наклепа (обкатка роликами, обработка стальной дробью). Однако при холодной обработке давлением (прокатка, волочение, штамповка) следует учитывать и отрицательное влияние наклепа, так как упрочнение металла в процессе деформирования затрудняет его дальнейшую обработку.

Для снятия наклепа и возвращения металлу способности деформироваться применяют рекристаллизационный отжиг,

который заключается в нагреве до температуры выше температуры рекристаллизации, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При нагреве металла атомы приобретают повышенную подвижность, уменьшается плотность дефектов кристаллического строения, снимаются внутренние напряжения, образуются новые равноосные зерна. Это приводит к уменьшению твердости и прочности и кувеличениюпластичности(рис. 7).

Рис. 7. Изменение структуры и свойств деформированных металлов при нагреве

16

Изменения в структуре и свойствах металла зависят от температуры нагрева. Можно выделить три основных этапа:

1.Возврат. Частично снимаются искажения решетки, что приводит к уменьшению остаточных напряжений. Волокнистая структура сохраняется. Механические свойства изменяются мало.

2.Рекристаллизация. Образуется новый комплекс мелких равноосных зерен. Величина рекристаллизованного зерна зависит от степени предшествующей деформации. Степень деформации, при которой получается наибольшее зерно, называется критической (для большинства металлов критическая деформация составляет 2–8 %). Крупнозернистый металл имеет, как правило, худшие механические свойства по сравнению с мелкозернистым. Если по сечению детали деформация различна, то после рекристаллизации будет наблюдаться разнозернистость, которая отрицательно сказывается на механических свойствах.

3.Рост зерна (собирательная рекристаллизация). Значи-

тельное увеличение температуры рекристаллизационного отжига относительно температурного интервала рекристаллизации нежелательно, так как это приводит к росту зерна (перегреву). Температуру рекристаллизации можно оценить по формуле Бочвара:

Трекр = αТпл, где α – коэффициент, зависящий от чистоты металла и структуры. Для металлов технической чистоты α = 0,4; для сплавов α = 0,5–0,85 в зависимости от структуры.

2.3. ПОНЯТИЕОХОЛОДНОЙИГОРЯЧЕЙДЕФОРМАЦИИ

Холодной деформацией называют обработку давлением при температурах ниже температуры начала рекристаллизации. При холодной деформации рекристаллизация не происходит. Металл упрочняется, приобретает волокнистое строение. Зерна вытягиваются в направлении действующей силы.

Горячей деформацией называют обработку давлением при температурах выше температуры начала рекристаллизации.

17

В этом случае одновременно с деформацией происходит рекристаллизация металла: деформированные зерна практически мгновенно заменяются новыми равноосными. Высокая пластичность и низкие твердость и прочность сохраняются в течение всего процесса деформации. Наклепа не происходит.

Например, деформирование свинца при комнатной температуре является горячей деформацией: Трекр = 0,4 (327 + 273) = 240 К, тогда Tрекр = (240 – 273) = –33 °С. Для железа деформирование при T = 300–400 °C является холодной обработкой давлением, так как температура начала рекристаллизациижелезаравна450 °С.

Чем больше превышение температуры обработки над температурой рекристаллизации, тем легче происходит горячая пластическая деформация металла или сплава. Наилучшей обрабатываемостью давлением обладают сплавы с однородной структурой. Например, доэвтектоидные стали подвергают горячей обработке давлением только в аустенитном состоянии (γ-Fe). При более низких температурах гетерогенная структура не обеспечивает однородность деформации (аустенит и феррит различаются по свойствам), что может привести к большим остаточным напряжениям и растрескиванию.

2.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Прочность, пластичность и вязкость являются главными механическими свойствами металлов и сплавов. В зависимости от условий нагружения деталей необходимо знать те механические свойства, которые определяют поведение материала именно в этих условиях. В связис этим различают механическиесвойства:

а) при испытании постоянными (статическими) на-

пряжениями (например, прочность при растяжении, изгибе, кручении);

б) при испытании переменными напряжениями (напри-

мер, усталостная прочность при изгибе или кручении);

18

в) при испытании динамическими напряжениями (на-

пример, ударная вязкость, определяемая как работа разрушения при ударном изгибе).

Кроме того, механические свойства зависят от температуры (при глубоком охлаждении металлы охрупчиваются, при увеличении температуры – разупрочняются), поэтому в зависимости от условий работы определяют различные механические свойства, иногда комплекс свойств.

Испытания на растяжение для определения характеристик прочности (σв, σ0,2 и др.) и пластичности (δ, ψ) проводят на специальных разрывных машинах путем растяжения стандартных образцов (цилиндрических или плоских). В процессе испытаний производится автоматическая запись диаграммы в координатах «удлинение – нагрузка». Прямолинейный участок диаграммы соответствует упругой деформации образца, криволинейный – началу и развитию пластической деформации. Пластическая деформация сопровождается утонением образца и образованием шейки, что приводит в дальнейшем к разрушению.

Определение твердости. Твердостью называется способность материала сопротивляться пластической деформации при внедрении в него постороннего тела, которое само при этом пластически не деформируется. Определение твердости имеет большое практическое значение, так как позволяет оценить качество материала после различных видов обработки. Испытания на твердость (в отличие от других механических испытаний) являются

неразрушающими видами контроля, поэтому могут применяться для готовых деталей. Наиболее широко применяемые способы измерения твердости – по Бринеллю (HB), Роквеллу (HRA, HRB, HRC), Виккерсу (HV). Метод микротвердости позволяет определять твердость микрообъемов (отдельных структурных составляющих, тонких поверхностных слоев и др.). Большое практическое значение имеет зависимостьмежду твердостью и прочностью, которая позволяет косвенно судить о прочности металла по его твердости: σв = (0,3–0,4) НВ.

19

Испытания на ударную вязкость (KCU, KCV, KCT) про-

водят для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению. Стандартный образец устанавливают на двух опорах и разрушают ударом специального бойка или молота. Достаточно надежными являются материалы с ударной вязкостью KCU более 0,3 МДж/м2 (или KCT более 0,12 МДж/м2). Крупнозернистые стали имеют значительно меньшую ударную вязкость, т.е. более склонны к хрупкому разрушению и менее надежны, чем мелкозернистые. С понижением температуры во многих сплавах проявляется хладноломкость, характеризующаяся резким уменьшением ударной вязкости.

Испытания на выносливость проводят для определения усталостной прочности (для деталей, испытывающих многократные нагрузки). Усталостный характер нагружения приводит к тому, что детали разрушаются при напряжениях, значительно меньших временного сопротивления и даже предела текучести. Явление усталости объясняется следующим образом. При многократно повторяющихся нагрузках сначала в одном или нескольких зернах происходит пластическая деформация, вызывающая наклеп. Постепенно запас пластичности этих зерен исчерпывается, и они разрушаются. Микротрещины проникают в соседние зерна, сливаются в одну магистральную трещину, которая медленно продвигается, ослабляя сечение детали. Способность металла сопротивляться усталостному разрушению принято называть выносливостью, или усталостной прочностью (σ–1 и др.). Предел выносливости определяют на специальных образцах, нагружаемых чаще всего по схеме «переменный изгиб с вращением». Образец нагружается как консольная балка и одновременно вращается. За каждый поворот образца напряжения в каждой его точке изменяются от максимально сжимающих до максимально растягивающих.

20