МАТЕРИАЛОВ

Материаловедение как наука занимается изучением строения и свойств конструкционных материалов, их взаимосвязи и условий формирования в заданном направлении.

Конструкционными называются материалы, предназначенные для изготовления различных механизмов, конструкций и приборов, которые характеризуются большим разнообразием условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Для обеспечения надлежащей работоспособности материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации.

Механические свойства характеризуют способность материала оказывать сопротивление действию внешних сил. Под действием приложенных извне сил металл изменяет свою форму и размеры, то есть деформируется.

При малых степенях деформации действует известный закон Гука, в соответствии с которым относительная деформация пропорциональна напряжению, а коэффициентом пропорциональности есть модуль упругости.

Различают два вида модуля упругости: модуль нормальной упругости (модуль Гука - Е) и модуль касательной упругости (модуль Юнга - G). В первом случае силы пытаются оторвать, а во втором сдвинуть атомы относительно один одного. Модуль Гука раза превышает по величине в 2,5 – 3 раза модуль Юнга. Значения модулей упругости являются константами материала. Они определяются силами межатомного взаимодействия и характеризуют жесткость материала, то есть его способность оказывать сопротивление упругому деформированию под действием внешних сил.

Модуль упругости структурно не чувствительная характеристика и термическая обработка или другие способы изменения структуры металла его практически не изменяют. Но при повышении температуры, когда межатомные расстояния увеличиваются, модуль упругости уменьшается.

В случае упругой деформации атомы смещаются из положений равновесия в кристаллической решетке и расстояния между ними изменяются. В результате этого изменения нарушается баланс сил притягивания и электростатического отталкивания и возникает равнодействующая сила, которая пытается возвратить атом в положение равновесия. Если не превышен предел упругости, то после снятия внешней нагрузки каждый атом возвращается в положение равновесия, упругие деформации исчезают, и структура металла не изменяется. Таким образом, упругость – это способность материалов полностью возобновлять свою форму и размеры после устранения причин, которые вызвали деформацию.

При увеличении нагрузки в случае превышения напряжений в металле над пределом упругости закон Гука не выполняется, и деформация становится необратимой. Процесс, который вызывает остаточные изменения в металле, называется пластической деформацией.

Единственным видом нагрузки, которая способна вызвать остаточное смещение атомов друг относительно друга без нарушения связи между ними, являются силы сдвига. Остаточная деформация может быть вызвана также растягивающими или сжимающими силами, но в них эффективной будет лишь та составляющая, которая отвечает силам сдвига и создает в кристалле касательные напряжения.

Пластическая деформация искажает кристаллическую решетку, увеличивает число дефектов (дислокаций и вакансий), вызывает появление внутренних напряжений, а при дальнейшем увеличении степени деформации создает определенную ориентацию зерен металла (текстуру). В результате пластической деформации происходит наклеп металла, то есть его упрочнение.

При комнатной температуре подвижность атомов не является достаточной для самопроизвольной перестройки структуры и возвращения металла в стабильное состояние, поэтому процессы рекристаллизации в пластично деформированном металле развиваются только при нагревании. При этом деформированная структура полностью восстанавливается, в результате чего прочность и твердость снижаются, а пластичность повышается. Температура рекристаллизации (Т_рекр.) зависит от температуры плавления (Т_пл.) следующим образом (формула А. А. Бочвара):

Т_рекр.= 0,4 Т_пл.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы возобновить структуру и свойства деформированного металла (например, в случае необходимости продолжить обработку давлением, прокатыванием, волочением и т. п.), его нагревают выше температуры рекристаллизации. Такую обработку называют рекристаллизационным отжигом.

Пластическая деформация выше температуры рекристаллизации в известной степени упрочняет металл, однако этот эффект устраняет последующая рекристаллизация. Обработку металла давлением выше температуры рекристаллизации, при которой отсутствует упрочнение, называют горячей обработкой давлением, а холодной – обработку давлением ниже температуры рекристаллизации.

Любой процесс деформации при увеличении напряжений завершается разрушением. На атомном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Разрушение металла может быть хрупким или вязким в зависимости от того, каким образом происходит процесс зарождения и распространения трещин.

Разрушение путем сдвига под действием касательных напряжений называется вязким, а разрушение путем отрыва или откола под действием нормальных напряжений – хрупким. Вязкое и хрупкое разрушение отличаются между собой величиной работы разрушения, видом поверхности излома, а также скоростью распространения трещины.

Для распространения имеющейся в твердом теле трещины необходимо, чтобы величина высвобождающейся энергии, накопленной в упругодеформированном теле, превышала затраты энергии для образования новых поверхностей в процессе увеличения длины трещины.

Хрупкое разрушение происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии и для распространения трещины не нужно подводить извне энергию. Затраты энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем накопленная упругая энергия, которая высвобождается при этом. Рост трещины при хрупком разрушении происходит после увеличения её длины выше некоторого критического значения, а вершина трещины имеет остроту, которая по радиусу возле вершины соразмерна с атомными размерами. Критический размер трещины характеризуется такой концентрацией напряжений в её вершине, которая является достаточной для разрыва межатомных связей. При достижении трещиной критической длины её последующее распространение происходит лавинообразно, без заметной пластической деформации в вершине трещины и без подвода энергии извне. Скорость распространения хрупкой трещины в сталях достигает 2500 м/сек.

При вязком разрушении становится необходимым подвод энергии извне. Эта энергия расходуется на пластическую деформацию металла впереди растущей трещины, а также на преодоление возникающего при этом упрочнения металла. При этом работа, которая тратится на пластическую деформацию, значительно превышает работу разрушения. Вязкое разрушение характеризуется малой скоростью распространения трещины. Пластичные материалы разрушаются со значительными остаточными деформациями, а хрупкие – без заметных остаточных деформаций (без образования шейки).

В зависимости от температуры железо и еще некоторые металлы с ОЦК и ГПУ решетками могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Снижение температуры обуславливает переход от вязкого разрушения к хрупкому, и это явление получило название хладноломкости.