Методичка по Материаловедению Теперь и в ПДФ

33
0,2		P	.	(12)
		F0

Для определения условного предела текучести на диаграмме растяжения по оси абсцисс от начала координат откладывают величину, равную 0,2% от l0 (отрезок ОЕ на рис.17).

Рис.17. Схема определения условного предела текучести

Через точку Е проводят прямую, параллельную участку пропорциональности диаграммы. Ордината точки А пересечения этой прямой с диаграммой растяжения определяет нагрузку, соответствующую условному пределу текучести.

Предел текучести является обязательной характеристикой металла по ГОСТу.

Точка В на диаграмме растяжения отвечает максимальной нагрузке, выдерживаемой образцом при испытании. В этой точке деформация из равномерной переходит в местную, и на образце начинает образовываться шейка.

Напряжение, отвечающее максимальной нагрузке РВ в процессе испытания, называется пределом прочности (13):

В		PB	.	(13)
		F0

34

Разрушение образца при растяжении происходит в точке К при нагрузке РК, Н. Отношение этой нагрузки к площади поперечного сечения образца после разрушения FК, мм2, представляет собой истинное сопротивление разрыву (14):

SK		PK	.	(14)
		FK

Определение характеристик пластичности. Абсолютное оста-

точное удлинение lК, мм (15), определяется разностью между длиной образца после разрыва lК, мм, и его первоначальной длиной l0, мм:

lK lK l0 .

(15)

Относительное удлинение , % (17), представляет собой отношение абсолютного удлинения к первоначальной длине образца

	lK l0	100%	lK	100%,	(16)
	l0		l0

где - относительное удлинение, %.

Для получения одинаковых значений относительного удлинения для одного и того же материала, испытываемого на различных образцах, необходимо чтобы образцы имели определенное соотношение между расчетной длиной l0, мм, и площадью поперечного сечения (или диаметром). Относительное удлинение, определенное на длинном образце (l0/d0=10), обозначается через 10 % , а на коротком образце – через 5, %.

Относительное сужение , % - характеристика пластичности, которая определяется как отношение абсолютного уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади сечения образца (17):

	F0 FK	100%,	(17)
	F0

где F0 – начальное поперечное сечение образца, FК – площадь сечения образца в шейке после разрыва.

Относительное сужение характеризует способность к местной пластической деформации в направлении, перпендикулярном действию сил. Оно определяется только для образцов круглого сечения.

35

Изменение размеров образца в результате растяжения показано на рис. 18.

Рис. 18. Образцы стали:

а - до растяжения; б - после разрыва

Характеристики материалов В, 0,2, , являются базовыми; они включаются в ГОСТ на постановку конструкционных материалов, в сертификаты, в паспорта приемочных испытаний, входят в расчеты прочности.

Определение ударной вязкости. В условиях эксплуатации конст-

рукционные материалы испытывают более сложное нагружение, чем при статических испытаниях гладких образцов. В особенности это относится к металлам, которые под влиянием определенных условий службы склонны переходить в хрупкое состояние при действии низких температур, наличия концентраторов напряжений, увеличения абсолютных размеров, повышения скорости деформирования и других факторов.

Ударные испытания надрезанных образцов проводятся для оценки вязкости материалов и установления склонности его к переходу в хрупкое состояние.

Под вязкостью понимают способность материала поглощать работу внешних сил за счет пластической деформации.

Ударная вязкость равна работе, затраченной при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенной к площади поперечного сечения в месте надреза.

Ударную вязкость определяют на маятниковом копре, принципиальная схема которого приведена на рис. 19. Груз весом Q , первоначально поднятый на высоту Н, свободно падает и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высоту h.

Груз весом Q первоначально поднят на высоту Н, свободно падает

36

и в нижнем положении разрушает установленный на опорах образец квадратного сечения. Часть кинетической энергии падающего груза расходуется на разрушение образца, а ее оставшаяся часть идет на поднятие груза на высоту h.

Рис.19. Схема действия копра и эскиз образца

Энергия, затраченная на разрушение образца, подсчитывается по формуле (18):

	AH Q(H h).			(18)
	Ударная вязкость определяется из выражения (19):
	KC	AH		(19)
		F0

Выгодное отличие испытаний на ударную вязкость состоит в совмещении при испытаниях концентрации напряжений (надрез) и ударной изгибающей нагрузки, позволяющем создать большую неравномерность поля напряжений.

Для определения ударной вязкости применяют надрезанные посередине длины образцы различных типов (рис. 20).

Испытания проводят в соответствии с ГОСТ 9454-78 на образцах с концентраторами напряжений трех видов:

Uс радиусом R=1мм;

Vc радиусом R=0,25мм;

37

Т – усталостная трещина.

В зависимости от формы надреза ударная вязкость обозначается

KCU, KCV или KCT.

Поскольку наиболее распространены испытания на удар образцов с U-образным надрезом, в справочниках чаще всего проводится обозначение ударной вязкости KCU, МДж/м2.

Рис. 20. Образцы для испытаний на удар:

а – U-образный надрез; б – V-образный надрез; в – образец с трещиной

Определение предела выносливости. Многие детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются повторнопеременным (циклическим) напряжениям, что может вызвать образование трещин и разрушение даже при напряжениях ниже 0,2.

Разрушение металлов и сплавов в результате многократного по- вторно-переменного напряжения носит название усталости, а свойство металлов сопротивляться усталости называется выносливостью

(ГОСТ 23207-78).

Природа усталостного разрушения заключается в следующем. Металлы, как известно, состоят из большого числа различно ориентированных зерен, которые вследствие анизотропии оказывают неодинаковое сопротивление действию внешних сил. Зерна, неблагоприятно расположенные по отношению к направлению действия внешних сил, оказываются слабыми, и пластичная деформация в них произойдет при напряжениях ниже предела текучести, в других же зернах приложен-

38

ная нагрузка вызовет лишь упругую деформацию.

Многократная пластическая деформация при действии повторнопеременных нагрузок приводит к образованию микротрещины, которая, увеличиваясь, превращается в зону усталостного разрушения.

Исследования на усталость проводят для определения предела выносливости, под которым понимают максимальное напряжение цикла, которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-переменных нагружений (циклов).

Предел выносливости при симметричном цикле обозначается -1. Предел выносливости чаще определяют на вращающемся образце (гладком или с надрезом) с приложением изгибающей нагрузки по симметричному циклу.

Для этого используют не менее десяти образцов, каждый из которых испытывается до разрушения только на одном уровне напряжений.

По результатам испытаний отдельных образцов в координатах «напряжение-число циклов» строят кривую, по которой и определяют предел выносливости -1 (рис. 21).

Для тех металлов и сплавов, у которых нет горизонтального участка выносливости, испытания, ограничивают определением «ограниченного предела выносливости», который для сталей равен 10 млн., а для цветных сплавов 100 млн. циклов.

Напряжение / мм2

-1

Рис. 21.Схема испытания и кривая выносливости

39

Порядок выполнения работы

1.Установить длину рабочей части и площадь поперечного сечения образца до испытания.

2.Провести испытания образца на растяжение с записью диаграм-

мы.

3.По диаграмме растяжения определить предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности.

4.Определить относительное удлинение и сужение образца.

5.Провести испытания на ударную вязкость и определить ее зна-

чение.

Контрольные вопросы и задания

1.Виды механических испытаний металлов.

2.Какие характеристики определяют при испытании на растя-

жении?

3.Что такое ударная вязкость?

4.Как проводятся испытания на ударную вязкость?

5. Что такое усталость, выносливость и предел выносливости металлов?

6. Как определяется предел выносливости?

40

Работа № 4

Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на структуру и свойства стали

Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства (твердость) малоуглеродистой стали; изучить влияние температуры нагрева на структуру и свойства (твердость) холоднодеформированной малоуглеродистой стали.

Приборы и оборудование: набор готовых микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомеры, штангенциркуль.

Пластическая деформация и рекристаллизация. Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, а следовательно, и изменение свойств металла.

Явления, возникающие в металле при пластической деформации, многообразны. Условно их можно разделить на три группы:

а) изменение формы и размеров кристаллов (зерен); б) изменение их кристаллографической пространственной ориенти-

ровки; в) изменение тонкого внутреннего строения каждого кристалла.

Пластическая деформация осуществляется путем скольжения (сдвига) или двойникования. Скольжение (сдвиг) состоит в перемещении одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям и направлениям. Двойникование осуществляется путем поворота некоторого объема кристалла на определенный угол.

Многочисленные исследования показывают, что скольжение и поворот осуществляются по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов. Чем больше в металле таких плоскостей, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы и сплавы с кубическими решетками К12 и К8 имеют большую пластичность, чем металлы и сплавы с гексагональными решетками Г12 и Г6.

Вдоль плоскостей, по которым произошел сдвиг, и в прилегающих к ним объемах происходит искажение кристаллической решетки, которое вызывает упрочнение сплава. Поэтому последующее скольжение возникает уже в другой параллельной плоскости и при большем напряжении.

Процесс скольжения нельзя представлять себе как одновременное перемещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, так как для группового перемещения атомов требуются напряжения в сотни раз большие, чем напряжения скольжения. Например, для монокристаллов железа наименьшая теоретическая прочность скольжения рав-

41

на 23000 МПа, а реальная прочность скольжения составляет 290 МПа, что почти в 100 раз меньше теоретической; для алюминия реальная прочность почти в 500 раз меньше теоретической, для меди в 1540 раз.

Такое большое расхождение между теоретической и реальной прочностью металлов вызвано наличием в реальных кристаллах многочисленных дефектов кристаллической решетки.

Сравнительно легкое перемещение атомов по плоскостям скольжения объясняется наличием в этих плоскостях линейных дефектов – дислокаций. Дислокации бывают линейные и винтовые. Образование линейной дислокации можно представить как внедрение в идеально построенный кристалл лишней кристаллографической полуплоскости атомов, называемой экстраплоскостью (рис. 22).

Рис. 22. Схема образования линейных дислокаций:

АВ – линия дислокации; CD – плоскость скольжения линейной дислокации

Нижний край экстраплоскости АВ вызывает большое искажение в кристаллической решетке, которое называется линией дислокации. Вокруг линии дислокации концентрируются все упругие искажения кристаллической решетки. Над линией дислокации, где имеется экстраплоскость, кристаллическая решетка сжимается, а под линией дислокации, где отсутствует экстраплоскость, растягивается. Длина дислокации может достигать нескольких тысяч межатомных расстояний решетки.

При движении дислокаций происходит смещение атомов на величину, меньшую атомного расстояния, для чего требуются небольшие усилия. Происходит это потому, что атомы, лежащие на линии дислокации, находятся в неравновесном состоянии; смещенные из своих нормальных положений дислоцированные атомы перейдут в равновесное положение даже при небольшом напряжении, а атомы из нормального положения в дислоцированные.

В процессе пластической деформации происходит не только движение имеющихся в кристалле дислокаций, но и образуется большое

42

количество новых дислокаций в различных кристаллографических плоскостях и направлениях. Если на пути движения дислокации встречаются препятствия в виде другой дислокации или дефектов другого вида, то процесс движения дислокации затормаживается, и для преодоления этих препятствий требуются большие внешние усилия.

Плотность дислокаций в недеформированном металле может составлять 106–108 дислокаций в 1 см-2, после деформации в этом же металле она достигает 1010–1012 дислокаций в см -2.

Таким образом, создание дислокаций – одно из важнейших явлений, возникающих при пластической деформации.

При определенной (критической) плотности дислокаций и других дефектов и искажений кристаллической решетки прочность материала увеличивается, так как создаются препятствия для свободного движения дислокаций. Чем больше искажена решетка на межзеренных и межблоковых границах, тем больше затруднено скольжение по кристаллографическим плоскостям и направлениям.

При пластической деформации поликристаллического тела зерна деформируются по разному: в первую очередь будут деформироваться те зерна, в которых плоскости легкого скольжения наиболее благоприятно расположены по отношению к приложенной силе.

В процессе развития пластической деформации изменяется форма зерен, наблюдаются повороты зерен относительно друг друга, дробление зерен и образование их определенной кристаллографической ориентации – возникает текстура деформации. По отношению к действующей силе зерна вытягиваются при растяжении и располагаются перпендикулярно к ней при сжатии. Металл приобретает как бы волокнистую структуру. Линиями волокон являются всевозможные примеси, расположенные по границам зерен. Текстурованный материал анизотропен, т.е. механические и физические свойства по разным направлениям различны.

Таким образом, пластическая деформация, каким бы способом она не производилась (растяжением, сжатием, изгибом, прокаткой, волочением и т.д.), вызывая искажения кристаллической решетки, дробление блоков мозаичной структуры, изменяя форму зерен и образуя текстуру, приводит к изменению всех свойств металлов и сплавов.

Характеристики прочности (твердость, предел прочности, предел упругости, предел текучести) с увеличением степени пластической деформации растут; характеристики пластичности и вязкости (относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость) падают. В процессе пластической деформации изменяются физические свойства: уменьшается плотность, сопротивляемость коррозии, магнитная