- •Часть I
- •1. Свойства и строение металлов
- •Свойства металлов
- •Кристаллическое строение металлов
- •Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов
- •1.3. Дефекты строения кристаллических тел
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты
- •1.3.3. Теоретическая и фактическая прочность
- •1.3.4. Поверхностные дефекты
- •2. Кристаллизация металлов
- •2.1. Энергетические условия кристаллизации
- •2.2. Механизм процесса кристаллизации
- •3. Механические свойства металлов
- •3.1. Общая характеристика механических свойств
- •3.2. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
- •3.3 Порог хладноломкости
- •3.4. Основные направления повышения прочности металлов. Конструктивная прочность
- •4. Деформация и разрушение металлов
- •4.1. Виды напряжений
- •4.2. Упругая и пластическая деформации металлов
- •4.3. Сверхпластичность металлов и сплавов
- •4.4. Разрушение металлов
- •5. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла
- •5.1. Возврат и полигонизация
- •5.2. Рекристаллизация
- •5.3. Холодная и горячая деформации
- •6. Строение и свойства типовых двухкомпонентных сплавов
- •6.1. Понятие о физико-химическом анализе
- •6.2. Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии
- •6.3. Применение правила отрезков
- •6.5. Внутрикристаллическая ликвация
- •6.5. Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическими и перитектическими превращениями
- •6.6. Понятие об эвтектоидном и перитектоидном превращениях.
- •6.7. Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение.
- •7. Железо и сплавы на его основе
- •7.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод
- •7.2. Диаграмма состояния железо-цементит (метастабильное равновесие)
- •7.3. Диаграмма состояния железо-графит
- •7.4. Углеродистые стали
- •8. Углеродистые стали
- •8.1. Влияние углерода на свойства стали
- •8.2. Влияние примесей на свойства стали
- •8.3. Классификация углеродистых сталей
- •8.4. Стали обыкновенного качества
- •8.5. Качественные углеродистые стали
- •9. Чугуны
- •9.1. Виды чугунов
- •9.2. Факторы, способствующие графитизации
- •9.3. Микроструктура и свойства чугуна
3.2. Механические свойства, определяемые при статических испытаниях
Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава.
Д ля испытания на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497-84). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения (рис. 13).
Кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений σ, величина которых является условной (σ = P/F0), где F0 – начальная площадь поперечного сечения. До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой 0A к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала Е = σ/δ (где δ – относительная деформация). Модуль упругости Е определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряжения по мере упругой деформации. Физический смысл Е сводится к тому, что он характеризует сопротивляемость металла упругой деформации, т. е. смещение атомов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости практически не зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механические свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от структуры (обработки) в широких пределах.
Закон пропорциональности между напряжением и деформацией является справедливым лишь в первом приближении. При точных измерениях даже при небольших напряжениях в упругой области наблюдаются отклонения от закона пропорциональности. Это явление называют неупругостью. Оно проявляется в том, что деформация, оставаясь обратимой, отстает по фазе от действующего напряжения. В связи с этим при нагрузке-разгрузке на диаграмме растяжения вместо прямой линии получается петля гистерезиса, так как линии нагрузки и разгрузки не совпадают между собой. Неупругость связана с движением точечных дефектов дислокации и атомов в приграничных объемах.
Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности (σпц). Обычно определяют условный предел пропорциональности, т. е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации в осью напряжений, увеличивается на 50 % своего значения на линейном (упругом) участке.
Напряжения, не превышающие предела пропорциональности, практически вызывают только упругие (в микроскопическом смысле) деформации, поэтому нередко σпц отождествляют е условным пределом упругости1. Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточная деформация достирает 0,05 % (или еще меньше) первоначальной длины образца:
σ0,05 = Р0,05 / F0.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести:
σ0,2 = Р0,2 / F0.
При испытании железа и других металлов с ОЦК решеткой при достижении определенного напряжения σт на кривой растяжения образуется площадка. Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести:
σт = Pт / F0.
Предел текучести σ0,2 является расчетной характеристикой, некоторая доля от σ0,2 определяет допустимую нагрузку, исключающую остаточную деформацию. По величине сг0)2 при нормальной температуре различают три класса материалов (табл. 2).
Таблица 2
Класс материала |
σ0,2, МПа |
||
Fe-сплавы (стали) |
Al-сплавы |
Ti-сплавы |
|
Низкой прочности |
650 |
200 |
400 |
Средней прочности |
650-1300 |
200-400 |
400-800 |
Высокой прочности |
1300-1400 |
400 |
800 |
Если допустимые напряжения определяются величиной упругой деформации (жесткая конструкция), то в расчетах используется величина модуля упругости Е. В этом случае стремиться к получению высокого значения σ0,2 не следует. Величины σпц и σ0,2 характеризуют сопротивление малым деформациям.
Дальнейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую деформацию во всем объеме металла. Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности:
σв = Pmax / F0.
У пластичных металлов, начиная е напряжения σв, деформация сосредоточивается в одном участке образца, где появляется местное сужение поперечного сечения, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется высокая плотность вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности, укрупнение которых приводит к возникновению пор. Сливаясь, поры образуют трещину, которая распространяется в направлении, поперечном оси растяжения, и в некоторый момент образец разрушается (точка С на рис. 13, а).
1) Реальный поликристаллический материал, вообще говоря, не имеет физического предела упругости, потому что всегда найдется некоторое количество незакрепленных дислокаций, которые начнут незакрепленных дислокаций, которые начнут двигаться при напряжениях, мало отличных от нуля
Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение
δ = (lк – l0) 100 / l0
и относительное сужение
ψ = (F0 – Fк) 100/F0,
где l0 и lк - длина образца, a F0 и Fк - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно. Отношение изменения длины к начальной длине определяет условное удлинение. Отношение в каждый данный момент изменения длины к длине в этот момент дает истинное удлинение:
.
Переход от lк/l0 к F0/Fк проведен, исходя из предположения о постоянстве объема при деформировании. Повышение прочности (σв, σ0,2) обычно сопровождается снижением пластичности материала.
На рис. 13, б приведена диаграмма истинных напряжений, построенная в координатах S-l. Учитывая, что роль пластической деформации несравненно больше, чем упругой, считают, что участок диаграммы, соответствующий упругой деформации, совпадает с осью координат.
Истинное сопротивление отрыву (разрушению) Sк определяется как отношение усилия в момент разрушения к минимальной площади поперечного сечения образца в месте разрыва: Sк = Рк/Fк.
В случае хрупкого разрушения Sк и определяет действительное сопротивление отрыву или хрупкую прочность материала (см. рис. 13, 6). При вязком разрушении (когда образуется шейка) σв и Sк характеризуют сопротивление значительной пластической деформации, а не разрушению. В конструкторских расчетах σв и Sк практически не используются, так как трудно представить конструкцию, работоспособность которой не нарушится при пластической деформации отдельных деталей или узлов.
Кривая 2 на рис. 13, а показывает, что в процессе растяжения металл испытывает деформационное упрочнение (наклеп).
Если пренебречь упругими деформациями, то коэффициент деформационного упрочнения К = [tg α – (Sк – σ0,2)] / lк.
Характеристики материалов σ0,2, σв, δ, ψ, а также Е являются базовыми – они включаются в ГОСТ на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а также входят в расчеты прочности и ресурса.
Испытание на сжатие. Для чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов, хрупких при растяжении, применяют испытание на сжатие (ГОСТ 25.503-80). Эти материалы при растяжении разрушаются путем отрыва, при сжатии разрушаются срезом. При испытании определяют предел прочности на сжатие.
Испытание на изгиб. Для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнении и т. д.) широко применяют испытания на изгиб (ГОСТ 14019-80). Чаще испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образец, лежащий на двух опорах (рис. 14). Предел прочности при изгибе σизг(σmax) подсчитывают по формуле
,
где Мmax - максимальный изгибающий момент; - для прямоугольного сечения образца (h и b – высота и ширина образца) и - для круглого сечения.
И спытание на вязкость разрушения. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин и т. д. обычно происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины (трещиноподобные дефекты) или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся острой (опасной) трещины (вязкостью разрушения), а не ее зарождению.
В основе испытаний на вязкость разрушения лежат положения линейной механики разрушения. Разработанные Д.Ж. Ирвиным положения позволяют оценить влияние трещин и подобных им дефектов на сопротивление материала хрупкому разрушению. Базой для развития линейной механики разрушения послужили работы Гриффитса, который показал, что хрупкое разрушение связано с наличием в материале трещин, вызывающих локальную концентрацию напряжений, и происходит в результате самопроизвольного движения этих трещин, поддерживаемого энергией, накопленной в материале вследствие упругой деформации.
По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины, могут быть описаны с помощью параметра К, который представляет собой коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины: , где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины; σн – номинальное (среднее) напряжение вдали от трещины, МПа; с – длина трещины, мм. Отсюда размерность К имеет вид: 1 МПа·мм1/2.
Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно.
Силовое условие начала самопроизвольного разрушения – достижение величиной К критического значения, т. е. Кс. Следовательно, если , то разрушения не произойдет.
Параметр Ирвина Кс определяют экспериментально. Чаще Кс определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва –перпендикулярно к плоскости трещины. В этом случае коэффициент интенсивности напряжения, т. е. относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещины, при переходе ее от стабильной к нестабильной стадии роста обозначают К1с [МПа·м1/2] и называют его вязкостью разрушения при плоской деформации.
Величина К1с – вязкость разрушения – определяет способность металла (сплава) противостоять развитию трещины. Поэтому нередко К1с называют трещиностойкостью. Чем выше значение К1с, тем меньше опасность хрупкого разрушения и выше надежность конструкции (машины), изготовляемой из этого материала.
Как видно из рис. 16, с увеличением К1с возрастает размер допустимой трещины с при данном рабочем напряжении σ. Например, при рабочем напряжении σх при К1с допустима трещина размером с', а при более низком значении К1с – меньшего размера с.
К ритерий К1с позволяет определить максимально допустимые напряжения в реальной конструкции σкр при наличии трещины определенной длины или, наоборот, при данном рабочем напряжении допустимую длину трещины без хрупкого разрушения конструкции.
Вязкость разрушения К1с, как правило, тем ниже, чем выше предел текучести σ0,2 (рис. 17).
Для сплавов титана показано, что при отношении К1с / σ0,2 > 0,24 критическая длина трещины измеряется в сантиметрах и закритическое развитие ее исключено. При отношении К1с / σ0,2 = 0,08 ÷ 0,24 критическая длина трещины снижается до 0,1 – 1,0 см, а при К1с / σ0,2 < 0,08 – до нескольких микрометров. Поэтому для повышения конструктивной прочности нередко отказываются от высокопрочных материалов вследствие низкого значения их трещиностойкости К1с и возможности хрупкого разрушения.
Критерии вязкости разрушения чаще используют для характеристик высокопрочных металлических материалов, идущих на изготовление сильно нагруженных конструкций (крупных сварных узлов, деталей самолетов, корпусов ракет, сосудов высокого давления, уникальных по своим размерам сооружений).
Для таких конструкций расчеты можно проводить с точностью до ±10 %. В остальных случаях погрешность расчетов, без учета поправок может достигать 50-100 %.
Величина К1с является структурно чувствительной характеристикой металла.