8875

наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатомное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла – так называемые оси первого порядка (1 на рис. 13, б).

центры кристаллизации

начало конец кристаллизации

Рис. 1.11. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен: 1 – медленное охлаждение; 2 – ускоренное охлаждение; 3 – быстрое охлаждение

В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка (2), от осей второго порядка растут оси третьего порядка (3), т.д.

По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка

21

(четвертого, пятого, шестого и т.д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис. 1.12. Дендритная кристаллизация: а) дендрит Чернова (высота 30 см,

масса 3,45 кг); б) схема дендритного строения по Чернову: 1 – оси первого порядка; 2 – оси второго порядка; 3 – оси третьего порядка

В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например, при затвердевании последних объемов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо (рис. 1.12,а).

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают зародыши твердых кристаллов.

Физико-механические и технологические свойства Металлы сочетают хорошие физико-механические свойства с

технологичностью. Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них того же порядка, что и прочность на

22

сжатие. Плотность стали составляет 7850 кг/м3, что в три раза выше в сравнении с бетоном.

На рис. 1 .13 представлена диаграмма, характеризующая свойства растяжения металла. Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной деформации шейки ВС.

Рис. 1.13. Диаграммы растяжений: а – с площадкой текучести;

б – без площадки текучести

Участок упругой деформации имеет прямолинейный вид и характеризует жесткость металла. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает металл под действием нагрузки, тем выше его жесткость. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла.

После снятия нагрузки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первоначальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации. Пластичность, т.е. способность

23

металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести σТ (рис. 1.13,а). Если площадка текучести отсутствует, определяют

условный предел текучести σ0,2, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины (рис. 1.13,б).

Предел текучести – основной показатель прочности при расчете допустимых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластическим деформациям.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению, называется временным сопротивлением или пределом прочности

σВ. Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность металла. Различают две характеристики пластичности:

отностительное удлинение δ, %, и относительное сужение ψ, %. Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15%; ψ ≥ 45%.

Относительное удлинение (δ), определяется отношением абсолютного удлинения к первоначальному линейному размеру, %.

Относительное сужение (ψ), определяется отношением поперечной площади образца в месте разрыва к первоначальному сечению, %.

Сопротивление металла ударному изгибу – ударную вязкость (ε). Это динамическое испытание образцов проводят на маятниковом копре и характеризует оно способность к хрупкому разрушению.

Предел выносливости σR - максимальное напряжение, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагрузок, МПа.

Твердость металлов, определяемая на твердомерах Бринелля (НВ),

24

Роквелла (HRС) или Виккерса (HV) по величине отпечатков от вдавливаемых предметов на поверхности металла.

Наклеп – упрочнение, получаемое металлом в результате пластической деформации. Выражается в повышении твердости, предела текучести и предела прочности и сопровождается снижением пластичности и вязкости. Наклеп проявляется при холодной обработке металла давлением (волочение,

штамповка, загиб). Наклепаный металл вследствие искажения кристаллической решетки испытывает внутренние напряжения.

Жаростойкость по ГОСТ 6130 – 71 определяется глубиной проникновения коррозии, выраженной в миллиметрах в год, при соответствующих условиях (среды, температуры и длительности испытания).

Все данные по коррозионной стойкости указаны в соответствии с ГОСТ

9908-85 по глубине проникновения коррозии на допустимую (заданную)

глубину с учетом влияния среды, температуры, длительности испытания.

Коррозионная стойкость металла оценивается по скорости проникновения коррозии металла, т.е. уменьшению толщины металла вследствие коррозии,

выраженному в линейных единицах, к единице времени (мм/год).

При подборе конструкционных материалов следует учитывать, что скорость точечной коррозии на сталях, которые подвержены этому виду разрушения, как правило, в несколько раз превышает скорость общей коррозии.

Свариваемость стали и сплавов является комплексной характеристикой стали, определяющейся технологическими трудностями, возникающими при сварке, и эксплуатационной надежностью сварных соединений. В справочнике даны характеристики так называемой технологической свариваемости.

В зависимости от сложности технологических приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получение сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:

1)стали, свариваемые без ограничения (сварка производится без подогрева

ибез последующей термообработки);

25

2) ограниченно свариваемые стали (сварка возможна при подогреве до

100–120°С и последующей термообработке);

3)трудносвариваемые стали (для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200–300°С при сварке, термообработка после сварки – отжиг);

4)стали, не применяемые для сварных конструкций.

Оценка характеристик литейных свойств принята в виде относительных величин коэффициентов, равных отношению показателей для исследуемого и эталонного сплавов, определенных по единым методикам. В качестве эталонной принята сталь марки 30Л.

Технологичность оценивается следующими показателями:

-жидкотекучесть Кж.т (отношение значений жидкотекучести данной стали и эталонной);

-трещиноустойчивость Кт.у (отношение значений трещиноустойчивости данной стали и эталонной);

-склонность стали к образованию усадочных раковин Ку.р (отношение объема усадочной раковины в отливках из данной стали и эталонной);

-склонность стали к образованию усадочной пористости Ку.п (отношение пористой зоны в отливках из данной стали и эталонной).

Жидкотекучесть определяется по спиралевидной пробе по ГОСТ 16438-

70. Длина залитой спирали в сантиметрах выражает жидкотекучесть сплава.

Склонность стали к образованию усадочных раковин и пор определяется на цилиндрическом образце, переходящем в верхней части в усеченный конус;

усадочная пористость – по ширине пористой зоны; трещиноустойчивость на приборе конструкции ЦНИИТмаша. Прибор показывает стойкость стали против образования горячих трещин, которые образуются вследствие заторможенной усадки образцов. Литейные свойства определяются при температуре начала затвердевания слитка 50–70ºС.

Обрабатываемость стали и сплавов резанием определяется для условий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами,

26

оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей), и

резцами из быстрорежущей стали Р18, Р12 (для углеродистых и легированных сталей) при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи 0,2 мм/об и главного угла в плане резцов y = 60º.

Обрабатываемость стали и сплавов резанием оценивается по скорости резания, соответствующей 60-мин стойкости резцов V60, и выражена коэффициентами Kvтв.спл и Kvб.ст по отношению к эталонной стали. В качестве эталонной стали принята углеродистая сталь 45 (σв= 637 МПа, НВ = 179),

скорость резания V60 которой взята за единицу. Коэффициенты обрабатываемости данной стали для условий точения твердосплавными резцами Kvтв.спл = V60/145, где V60 – скорость резания, соответствующая 60-мин стойкости резцов, при точении данной стали, м/мин; 145 – значения скорости резания при 60-мин стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной

стали 45.

Коэффициенты обрабатываемости стали Kv для условий точения резцами из быстрорежущей стали Kvб.ст = V60/70, где 70 – значение скорости резания при 60-мин стойкости быстрорежущих резцов при точении эталонной стали 45.

Для принятых условий резания абсолютное значение скорости резания V60

данной стали определяется умножением ее коэффициента Kvтв.спл или Kvб.ст на соответствующие значения эталонной стали 45.

Прокаливаемость определяется по ГОСТ 5657-69. Под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. (минимальное и максимальное значения твердости в зависимости от расстояния от

охлаждаемого участка).

По склонности к образованию флокенов (флокеночувствительность)

ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска или при длительных выдержках в интервале температур 450–600°С. Стали условно разбиты на три группы: не склонные к отпускной хрупкости, мало склонные и склонные.

Хрупкое и вязкое разрушение Заключительная стадия деформирования материалов – стадия разрушения

– стала объектом исследования сравнительно недавно, так как раньше считали,

что после появления трещин в материале изделие нельзя использовать.

Разрушение рассматривалось как заключительная мгновенная стадия нагружения, которая не может быть остановлена. В настоящее время выявлено,

что стадия разрушения с момента появления повреждения может составлять до

90 % долговечности конструкции.

Разрушение твердого тела представляет собой процесс разделения его на части под действием нагрузки, который так же может сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями. На атомном уровне разрушения представляют собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Если разрыв межатомных связей происходит перпендикулярно плоскости разрушения, возникает разрушение сколом или отрывом. Если разрыв связей происходит под действием силы,

приложенной параллельно плоскости разрушения, возникает разрушение сдвигом или скольжения. В металлах может иметь место и тот и другой вид разрушения, что определяется главным образом их кристаллической структурой. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры,

скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла и т.д.

В зависимости от степени пластической деформации перед разрушением различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происходит хрупкое

28

разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плоскость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям (рис. 1.14).

Под действием нормальных напряжений происходит упругая деформация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой, т.е. разрушение металла.

Разрушение начинается от какого-либо дефекта, в близи которого развивается концентрация напряжений, превосходящих теоретическую прочность металла.

а) б) в)

Рис. 1.14. Схема разрушения путем отрыва силой F:

а – исходное состояние; б – упругая деформация; в – хрупкое разрушение (отрыв)

У достаточно пластичных металлов, характеризующихся релаксацией напряжений, местной концентрации напряжений вблизи несплошностей оказывается недостаточно, и развитие трещин скола не происходит.

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45º к направлению главных нормальных напряжений.

Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для аморфных материалов.

Однако большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое, и

хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды разрушения условно

29

проводится по преобладанию того или иного типа.

Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость, т.е. величина работы разрушения, вид трещины и поверхности излома, скорость распространения трещины.

При хрупком разрушении затрачивается значительно меньшая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом – оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, поэтому для распространения трещины не требуется подвод энергии извне. При хрупком разрушении затраты энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающаяся при этом накопленная упругая энергия.

При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа. Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления, возникающего при этом упрочнения.

Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пластическая деформация вблизи поверхности разрушения почти полностью отсутствует. При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина),

поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транскристаллитный характер и происходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен, поэтому разрушение имеет, как правило, межкристаллитный характер.

30