© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

11

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Рис. 1.9. Схема эстафетного перемещения дислокации ( ) вдоль плоскости скольжения (АА) под действием сдвигающего усилия Р

Протяженные пустоты в решетке в месте обрыва экстра плоскости являются удобным местом для стока точечных дефектов. Поэтому вокруг линии дислокации скапливаются атомы примесей. В такой «шубе» примесных атомов дислокация становится малоподвижной.

ПРОПУЩЕНА СТР. 16 тропными (это проявляется, например, в различии механиче-ских свойств

вдоль и поперек проката).

На границах зерен периодичность решетки нарушена, так как кристаллографические плоскости повернуты относительно друг друга на угол α (рис. 1.10), величина которого колеблется от долей до нескольких десятков градусов. Граница между зернами представляет собой переходный слой шириной до 10 межатомных расстояний, обычно с неупорядоченным расположением атомов. Это место скопления дислокаций, вакансий и примесных атомов.

Отдельные зерна в свою очередь состоят из блоков - субзерен. Субструктура, т. е. структура отдельных зерен, отличается от поликристаллической структуры значительно меньшими величинами размеров субзерен (10-4...10-6 см) и углов их разориентировки α (от нескольких секунд до нескольких минут). На границах блоков так же, как и на границах зерен, повышенная концентрация дислокаций и примесных атомов.

Таким образом, границы зерен и границы блоков внутри зерна в трехмерном пространстве являются поверхностными дефектами решетки. Напомним, что, как отмечалось выше, они являются трудно преодолимыми препятствиями для перемещения дислокаций.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

12

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Рис. 1.10. Схема строения границ зерен в поликристаллическом материале

1.3. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ РЕШЕТКИ НА ПРОЧНОСТЪ МЁТАЛЛОВ. МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению или деформации под действием внешней нагрузки - является одной из важнейших механических характеристик материала. С величиной прочности связана работоспособность и материалоемкость изделия.1 Обычно, когда говорят о прочности, имеют в виду прочность на разрыв. Это обусловлено, в частности, наибольшей опасностью растягивающих механических напряжений.

Характеристики прочности в этом случае определяются по результатам механических испытаний образцов при одноосном статическом растяжении. На рис. 1.11 приведена диаграмма напряжений при растяжении стержня с первоначальной длиной l0 и поперечным сечением S0 под действием растягивающей силы Р. Вызываемая напряжением σ=Р/S0 деформация характеризуется относительным удлинением образца ε= l/lо ( l/lо=l-/lо - абсолютное удлинение).

На начальном участке кривой OА наблюдается прямая пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией (закон Гука)

σ =Eε.

(1.1)

Соответствующая этому участку деформация является упругой, исчезающей при снятии нагрузки. Тангенс угла наклона ОA к оси абсцисс пропорционален модулю упругости (модуль Юнга). Величина Е определяется силами межатомной связи и характеризует жесткость материала - сопротивляемость упругой деформации.

В точке А закон Гука начинает нарушаться; соответствующее напряжение называется пределом пропорциональности σпц.

1 Работоспособность материала в конкретном изделии (конструкции) в реальных условиях эксплуатации оценивается комплексной характеристикой, называемой конструкционной прочностью. Обсуждаемые в данном разделе критерии прочности являются важнейшими среди параметров, характеризующих конструкционную прочность.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

13

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Рис. 1.11. Диаграмма напряжений при одноосном растяжении

Выше точки А деформация не исчезает полностью при снятии нагрузки, такая деформация называется пластической или остаточной. Напряжение, при котором она становится заметной, в технике определяют как условный предел текучести σ0,2, так как относительное остаточное удлинение образца составляет при этом 0,2 %.

Максимальное напряжение, которое выдерживает образец до разрыва (точка В на кривой σ=f(ε)) называется временным сопротивлением или пределом прочности σв.

Таким образом, основными критериями прочности при статических нагрузках являются предел текучёсти σ0,2 и предел прочности σв.1 Предел текучести характеризует сопротивление материала сдвигу, поскольку пластическая деформация осуществляется скольжением атомных слоев решетки относительно друг друга. Предел прочности, строго говоря, - это сопротивление материала отрыву, однако надо иметь в виду, что в пластичных материалах - металлах - отрыву атомных слоев друг от друга всегда предшествует сдвиг, т. е. пластическая деформация.

Суммируя сказанное, можно заключить, что прочность кристаллических тел - это их сопротивление приложенной механической нагрузке, стремящейся сдвинуть (или, в пределе, оторвать) одну часть кристалла относительно другой. Понятно, что эффективность этого сопротивления (т. е. прочность) должна быть пропорциональна величине межатомных сил связи и числу атомов, «сцепление» которых при сдвиге (или отрыве) нужно преодолеть.

Исходя из этого можно рассчитать теоретическую прочность идеального (бездефектного) кристалла (σтеор) как произведение величины межатомных сил на число атомов, приходящихся на единицу сечения, вдоль которого происходит сдвиг (или отрыв).

1 На практике широко применяются измерения твердости материалов. Твердость — способность материала сопротивляться деформации (при внедрении в него более твердого тела) - является, по сути, также характеристикой прочности. Поэтому для пластичных материалов между величинами прочности σв и твердости НВ (твердость по Бринеллю) существует линейная связь σв=k НВ, где коэффициент k для различных материалов изменяется обычно в пределах 0,2...0,4.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В 14 Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

Выше отмечалось, что модуль Юнга Е характеризует величину межатомных сил связи, поэтому не удивительно, что теоретическая прочность может

быть выражена как σтеор=k E	(1.2)
Расчеты показывают, что почти для всех кристаллических тел величина
k≈0,1, т. е. их идеальная, теоретическая прочность
σтеор≈0,1E.	(1.3)

По сути это означает (сравним (1.3) с (1.1)), что разрушение происходит при напряжениях, которые вызывают смещение атомов из положения равновесия (узла решетки) на 0,1 величины периода решетки.

Величина модуля Юнга для многих металлов колеблется в пределах (1...2) 105 МПа, поэтому их теоретическая прочность должна составлять приблизительно (1...2) 104 МПа. Известно, однако, что реальная прочность технических металлов значительно ниже, например, прочность железа всего 200...300 МПа. В чем же причина такого сильного расхождения между значениями теоретической и реальной прочности металлов?

Впредыдущем разделе отмечалось, что в любом реальном металле уже в процессе его кристаллизации образуется много дислокаций, их плотность дос-

тигает 106...108 1/см2.

Вкристалле, содержащем дислокации, под действием нагрузки деформация происходит не путем одновременного сдвига всех атомов вдоль плоскости скольжения,1 а посредством последовательного, эстафетного перемещения дислокаций (см. рис. 1.9). В разделе 1.1.2 обсуждалось, что такой процесс сдвига требует весьма небольших усилий, что и обусловливает снижение сопротивляемости материала пластической деформации, т. е. снижение его прочности.

Из сказанного следует естественный вывод - повышение прочности может быть достигнуто удалением дислокаций из металла. Действительно, опыты, проведенные на бездислокационных образцах, подтвердили высокую, близкую

ктеоретической, прочность таких материалов. Однако такой путь упрочнения не технологичен, поскольку бездислокационные металлы удается получать лишь в виде тонких нитей (так называемых «усов») диаметром в несколько микрон и длиной до 10 мм.

Поэтому применяемые на практике способы упрочнения основаны на торможении, блокировании подвижных дислокаций. Ранее (раздел 1.2.2) отмечалось, что любые дефекты решетки и, в первую очередь, линейные (дислока-

1 В идеальном - бездислокационном кристалле, единственно возможный механизм деформации - это одновременный сдвиг всех атомов одной плоскости относительно другой. Эта модель и используется в расчете теоретической прочности.

© СЗТУ кафедра МТМиП, Шадричев Е.В

15

Конспект лекций «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ» ч.1

ции) и поверхностные (границы зерен) оказывают такое тормозящее действие, затрудняют скольжение дислокаций при пластическом деформировании металла. Преодоление создаваемых ими внутренних упругих напряжений требует увеличения прилагаемых усилий деформирования, что и означает повышение прочности.

Подобным упрочняющим действием обладают микрообласти упругих искажений решетки различной природы, а также дисперсные частицы твердых дополнительных фаз, как бы заклинивающих плоскости скольжения, блокирующих дислокации.

Традиционными практическими методами упрочнения металлов являются: обработка давлением, термическая обработка, химико-термическая обработка, создание сплавов, легирование. Эти процессы и их влияние на прочность будут рассмотрены в последующих разделах. Здесь же в качестве иллюстрации влияния различных методов упрочнения приведен рис. 1.12, на котором показано, как путем регулирования плотности дислокаций р можно существенно изменять прочность металла σв. На этом же рисунке для примера указана прочность железа (и стали — сплава на основе железа) в различных отмеченных на зависимости σв=f(р) состояниях. Видно, что применяемые в настоящее время способы упрочнения далеко не реализуют природную прочность железа.

В заключение этого раздела можно сказать, что представления о дислокационном механизме сдвига достаточно хорошо объясняют поведение пластичных металлов при механическом нагружении. Однако этих представлений оказывается недостаточно для понимания часто наблюдаемой пониженной прочности изделий, в которых использован металл с невысокой пластичностью. Пониженная прочность таких изделий объясняется наличием в них поверхностных или внутренних дефектов типа микротрещин. Помимо деформационных и термических трещин, роль таких дефектов могут играть частицы неметаллических включений, поры или «конструктивные дефекты» типа надрезов: выточки, галтели, отверстия.

Рис. 1.12. Зависимость прочности металла от плотности дислокаций. Цифрами отмечены участки кривой, характеризующие прочность металла в различных состояниях (ниже в скобках приведены примерные значения σв [МПа] для железа):

1 - идеальный, бездефектный металл - расчет

(20000); 2 - бездислокационный, «усы» (13000); 3 - технический, не упрочненный (300); 4 - упрочненный методами, основанными на торможении дислокаций (3000); термически упрочненная сталь - сплав на основе железа)