А27878 Андреев АК Материалы для низкотемпературной техники

заданного режима эксплуатационного нагружения получают непосредственно распределения и значения местных упругих либо упругопластических напряжений или деформаций. По этим распределениям могут быть определены номинальные напряжения или деформации, которые в дальнейшем используются при оценках прочности и ресурса. Вместе с тем следует признать, что для многих режимов и геометрических форм элементов конструкций такие расчеты чрезвычайно трудоемки, а их точность определяется заданием исходных краевых условий – по усилиям, температурам, фи- зико-механическим свойствам материалов.

Как показывает многолетняя практика проектирования и отработки наиболее сложных и ответственных машин и конструкций, повышенная точность при анализе прочности, ресурса и надежности достигается в тех случаях, когда используются комбинированные методы анализа истории эксплуатационного нагружения, номинальных и местных напряжений и деформаций.

61

2. ХЛАДНОЛОМКОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Хладноломкость – склонность металлов к появлению или значительному возрастанию хрупкости при понижении температуры. Проявление хладноломкости связано с получением при понижении температуры эффекта торможения движения дислокаций и значительным повышением предела текучести материала. Начиная с некоторой температуры (так называемая критическая температура хрупкости, или порог хладноломкости) хрупкое разрушение наступает раньше, чем состояние пластической текучести.

Наибольшее внимание уделяется процессам хладноломкости, протекающим в сплавах железа, как основного конструкционного материала современности. Хладноломкость в железных сплавах вызывается вредными примесями, главным образом фосфором, группой цветных металлов (свинцом, оловом, мышьяком и сурьмой); в меньшей степени – примесями серы, меди и цинка. Из этих примесей наибольшее влияние оказывает фосфор, концентрация которого жестко ограничивается всеми нормативными документами, регламентирующими производство сталей. Влияние его проявляется тем сильнее, чем выше содержание в стали углерода; эти элементы, конкурируя друг с другом в границах зерен, взаимно усиливают охрупчивающее влияние на сталь при понижении температуры.

Хладноломкость присуща не только углеродистым и низколегированным сталям, но также танталу, вольфраму, хрому, молибдену и некоторым другим металлам с объемно центрированной кубической решеткой и сплавам на их основе.

Температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому зависит от режима термической обработки, величины зерна, скорости нагружения, величины концентрации напряжений. Чаще всего хладноломкость оценивают путем испытаний на ударный изгиб призматических образцов с надрезом, определяя при этом работу деформации и разрушения. Склонность к хладноломкости можно также оценить по температуре резкого снижения пластичности или по доле волокнистого излома на поверхности разрушения.

Знание процессов хладноломкости материалов имеет особое значение при эксплуатации конструкций в температурных условиях северных районов, для космических аппаратов, систем ядерной фи-

62

зики, криобиологии, водородных и других криогенных двигателей. Снижение хладноломкости достигается очисткой металлов от вредных примесей, термообработкой, легированием.

2.1. Общая характеристика металлов и сплавов

Металлы и их соединения – сплавы повсеместно используются для конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов, керамики, клеев, металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Аu, Ag, Hg, Сu). Из 109 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева, только 22 являются неметаллами.

Металлические материалы обычно делят на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

–легкие металлы (Mg, Be, Al, Ti) с плотностью до 5 г/см3;

–тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Аu, Pt, W, Та, Ir, Os) с плотностью, превышающей 10 г/см3;

–легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Zn) с температурой плавле-

ния 232, 327, 410 °С;

–тугоплавкие металлы (W, Мо, Та, Nb) с температурой плавления существенно выше, чем у железа ( > 1536 °С);

–благородные металлы (Аu, Ag, Pt) с высокой устойчивостью против коррозии;

–урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используемые в атомной технике;

–редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

–щелочные и щелочно-земельные металлы (Na, К, Li, Ca)

всвободном состоянии, применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также использу-

63

ется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре –38,8 °С; вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Тпл = 3410 °С); литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

–высокая пластичность;

–высокая тепло- и электропроводность;

–положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;

–хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

–термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

–кристаллическое строение в твердом состоянии.

2.1.1. Кристаллическое строение Дефекты кристаллического строения

Общее свойство металлов и сплавов – их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристал- лической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена одной элементарной ячейкой. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристал-

ла (рис. 2.1).

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий рас-

64

полагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1–0,7 нм; размеры элементарных ячеек 0,2–0,3 нм.

Рис. 2.1. Кристаллическая решетка

На рис. 2.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерных для металлов: объемно центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

а

б

в

Рис. 2.2. Типы элементарных ячеек кристаллических решеток

исхемы упаковки в них атомов:

а– обьемно центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая;

в– гексагональная плотноупакованная

Вкубической гранецентрированной решетке атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (см. рис. 2.2, а).

Вкубической объемно ценрированной решетке атомы распо-

ложены в вершинах куба, а один атом – в центре его объема (см. рис. 2.2, б). В гексагональной плотноупакованной решетке атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома – в средней плоскости призмы (см. рис. 2.2, в).

65

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различные кристаллические решетки. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, принято обозначать индексом α, например α-Fe, при более высокой – β, затем γ и т. д. Полиморфные превращения известны у ряда металлов, например у железа: Feα ↔ Feγ (α-Fe ↔ ↔ γ-Fe); у титана: Tiα ↔ Tiγ (α-Ti ↔ γ-Ti). Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911 °С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти дефекты оказывают существенное влияние на свойства материала.

Различают четыре типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные, поверхностные (плоские) и объемные.

Точечные дефекты (рис. 2.3) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величины их не превышают нескольких атомных диаметров.

Рис. 2.3. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – дислоцированный атом; в – примесный атом внедрения

66

К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристаллической решетки – вакансии; б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки, – дислоцированные атомы; в) атомы других элементов, находящиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки, – примесные атомы.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под действием тепловых, механических, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами

вдвух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов – дислокации (от лат. dislocation – смещение).

На рис. 2.4 показана схема участка кристаллической решетки с одной «лишней» атомной полуплоскостью, т. е. краевой дислокацией. Линейная атомная полуплоскость PQQ'P' называется экстраплоскостью, а нижний край экстраплоскости – линией дислокации. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокацию называют положительной и обозначают знаком «┴», если

внижней – отрицательной и обозначают знаком «┬». Различие между дислокациями чисто условное. Перевернув кристалл, мы превращаем положительную дислокацию в отрицательную. Знак дислокации позволяет оценить результат их взаимодействия.

Рис. 2.4. Краевая дислокация

Дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться также винтовые дислокации.

67

Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов,

атакже в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Плотность дислокаций может достигать большой величины. Под плотностью дислокаций ρ обычно понимают суммарную длину дислокаций Σ l, приходящуюся на единицу объема V кристалла: ρ = Σl/ V.

Плотность дислокаций ρ выражается в сантиметрах на кубический сантиметр (см/см3) или в сантиметрах в минус второй степени (см–2). Для отожженных металлов плотность дислокаций составляет 103–106 см–2, после холодной деформации она увеличивается до 1011–1012 см–2, что соответствует примерно 1 млн км дислокаций в 1 см3.

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна быть пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Расчетное усилие для смещения одной части кристалла относительно другой оказалось на 2–3 порядка выше фактически затрачиваемого при пластической деформации металла. Так, теоретическая прочность железа составляет около 13 000 МПа,

афактическая – всего 250 МПа. Такое расхождение теоретической и фактической прочности объясняется тем, что деформация происходит не путем одновременного смещения целых атомных плоскостей, а за счет постепенного перемещения дислокаций.

Таким образом, причиной низкой прочности реальных металлов является наличие в структуре материала дислокаций и других несовершенств кристаллического строения. Получение бездислокационных кристаллов приводит к резкому повышению прочности материалов (рис. 2.5). Левая ветвь кривой соответствует созданию совершенных бездислокационных нитевидных кристаллов (так называемых «усов»), прочность которых близка к теоретической.

При ограниченной плотности дислокаций и других искажениях кристаллической решетки процесс сдвига происходит тем легче, чем больше дислокаций находится в объеме металла.

Сростом напряжений возрастает число источников дислокаций в металле, их плотность увеличивается. С повышением плотности дислокаций их движение становится все более затрудненным, что требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате этого металл упрочняется, что соответствует правой ветви кривой, изображенной на рис. 2.5.

68

Рис. 2.5. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность кристаллов

Упрочнению способствуют и другие несовершенства кристаллического строения, также тормозящие движение дислокаций. К ним относятся атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы выделений второй фазы, границы зерен или блоков и т. д. На практике препятствие движению дислокаций, т. е. упрочнение, создается введением других элементов (легированием), наклепом, термической или термомеханической обработкой. Снижение температуры также препятствует свободному перемещению дислокаций. При низких температурах прочность растет, а пластичность падает. Металл становится более прочным, но хрупким.

Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями:

1) получением металлов с более близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е. металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало;

2) увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов внутри зерна, гра-

69

ницы блоков внутри фрагментов. Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10 атомных расстояний с наружным порядком расположения атомов. В граничной зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого (рис. 2.6). Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением в этой зоне дислокаций и повышенной концентрацией примесей. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются местом повышенной концентрации примесей, они оказывают существенное влияние на механические свойства металла.

Под размером зерна принято понимать величину его среднего диаметра, выявляемого в поперечном сечении. Это определение условно, так как действительная форма зерна в металлах меняется в широких пределах – от нескольких микрометров до миллиметров. Средний размер зерна оценивается 10 баллами по специальной стандартизованной шкале и характеризуется числом зерен, приходящихся на 1 мм2 поверхности шлифа, при увеличении в 100 раз.

Рис. 2.6. Схема строения зерен и границ между ними

Процесс пластического течения, а следовательно, и предел текучести материала зависят от длины свободного пробега дислокаций до «непрозрачного» барьера, т. е. границ зерен металла. Предел текучести ζт связан с размером зерна d уравнением Холла–Петча:

ζт = ζ0 + kd–1/2,

где ζ0 – напряжение трения решетки; k – коэффициент, величина которого численно определяет сопротивление данного металла движению дислокаций. Эти значения постоянные для данного металла.

70