Механические свойства. Упругая деформациякристаллических тел происходит путем смещения атомов от положения устойчивого равновесия на расстояния

Виды деформации

Упругая деформациякристаллических тел происходит путем смещения атомов от положения устойчивого равновесия на расстояния, меньшие межатомных, при снятии нагрузки, обеспечивающей упругую деформацию, упругая деформация исчезает.

Пластическая (необратимая) деформациясовершается за счет сдвига атомов из одного равновесного положения в другое, при этом перемещения могут быть много большие межатомных расстояний. При таком деформировании ряд атомов меняет «соседей», но разрушенные связи восстанавливаются с новыми соседями (рис. 1.3). В физике кристаллов вычислено, что для разрыва

всех связей в кристалле хотя бы в одном сечении, как показано на рис. 1.3, необходимо приложить напряжение порядка 0,1 Е, где Е – модуль упругости. Однако, реальная прочность кристаллов в сотни раз меньше теоретической. Физики это различие смогли объяснить, придумав специальные дефекты кристаллической решётки – дислокации. Дислокации обеспечивают не одновременный разрыв всех связей в кристалле, а поочерёдный, как показано на рис. 1.3. С появлением электронных микроскопов, физики экспериментально нашли придуманные дислокации. Движение дислокаций приводит к последовательному разрыву связей между атомами и смещению слоёв металла, которое не исчезает после снятия нагрузки. Очевидно, что материал, не содержащий дислокаций, будет значительно прочнее, чем имеющий их. Однако реализация такого пути получения прочных металлов натолкнулась на неразрешимые трудности, связанные с возможностью выращивания бездефектных кристаллов. Для повышения прочности в настоящее время используется прямо противоположный путь.

Рис. 1.3. Схемы пластического сдвига

Установлено, что дислокации взаимодействуют между собой. Особенно сильное взаимодействие наблюдается при перемещении дислокаций в пересекающихся плоскостях скольжения, когда они начинают препятствовать взаимному перемещению. В итоге возникает парадоксальное явление, с увеличением числа дислокаций сопротивление пластическим деформациям возрастает. Поэтому прочность материалов повышают, увеличивая концентрацию деформаций, что иллюстрирует рис. 1.4.

Рис. 1.4. Зависимость предела прочности металла от числа дефектов

в его кристаллической решетке

Таким образом, прочность материала можно повысить путем получения бездефектных кристаллов, либо, наоборот, путем получения кристаллов с максимально возможным числом дислокаций. Первый путь реализуется при получении нитевидных кристаллов («усов»). Например, такие кристаллы желез имеют прочность σВ = 3000МПа, а техническое железо только σВ = 300 МПа. Второй путь реализуется с помощью термической обработки стали или холодного пластического деформирования, при которых плотность дислокаций в 1 см3 возрастает с ≈107 в отожженном металле до ≈1012. Например, при закалке углеродистой стали ее твердость возрастает в 2,5 ... 3 раза, при холодной пластической деформации прочность увеличивается в 1,5 ... 2 раза. Свойства металлов в значительной степени зависят от величины и формы кристаллитов-зерен, которыми называют кристаллы неправильной формы. Размер и форма зёрен, в свою очередь, зависят от условий кристаллизации из расплава. Чем больше скорость охлаждения, тем выше степень переохлаждения сплава, больше центров кристаллизации возникает одновременно в данном объеме, меньше размеры образующихся зерен, тем больше площадь поверхностных дефектов, большинство из которых являются дислокациями. При этом увеличиваются прочностные свойства и, что особенно важно, с увеличением прочности пластичность не только не уменьшается, но даже значительно увеличивается. Измельчение зерна – один из немногих способов упрочнения, когда

пластичность при увеличении прочности растёт. Поэтому, как правило, стремятся получить мелкозернистую структуру. Наиболее простым способом обеспечения этого является высокая скорость охлаждения при кристаллизации. Однако высокую скорость охлаждения можно получить только на тонкостенных отливках, а на крупных слитках, которые используются в металлургическом производстве (рис. 1.5), такой способ не приемлем.

Рис. 1.5. Строение слитка спокойной стали:

а – продольное сечение; б – поперечное сечение;

1 – мелкие равноосные кристаллы, 2 – столбчатые кристаллы (дендриты),

3 – зона крупных равноосных кристаллов

На рис. 1.5. показаны расположение, форма и величина зерен в слитке стали, которая полностью определяется скоростью охлаждения и направлением отвода тепла.

Механические свойства

Основными механическими свойствами являются прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, усталостная прочность (выносливость). Внешние нагрузки вызывают в твёрдых телах деформации, связанные с изменением формы и объёма. Основные характеристики прочности и пластичности определяют при испытаниях на растяжение, которые производят с записью диаграмм деформирования в координатах F, Δl, где F – сила, Δ l = l1 – l 0 –

абсолютное удлинение. Для определения характеристик прочности используют особые точки (А, B, D) диаграммы деформирования, представленной на рис. 1.6. Так как нагрузки и деформации, соответствующие этим точкам, зависят от размеров образца, то для получения характеристик прочности переходят к относительным координатам, которыми являются напряжения σ и относительные деформации ε.

где – начальная и текущая длины цилиндрической части образца; А0– площадь поперечного сечения образца, подвергаемого растяжению.

Рис. 1.6. Диаграмма растяжения мягкой стали

Прочность– это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических сил. Характеристики прочности, определяемые испытанием на растяжение стандартных образцов:

σу– предел упругости – максимальное напряжение, ограничивающее область у σ ≤σ , когда деформации и напряжения связаны между собой линейной зависимостью σ = Еε , которая называется законом Гука, где Е – модуль нормальной упругости. Деформации, подчиняющиеся закону Гука, называют упругими, они исчезают при снятии нагрузки. При напряжениях, превышающих предел упругости, возникают упругопластические деформации. Часть общей деформации, которая не исчезает при снятии нагрузки, является пластической.

Напомним, что появление пластической деформации связано с разрывом межатомных связей и перемещением дислокаций.σТ– предел текучести, это напряжение, при котором материал деформируется пластически без увеличения нагрузки и на диаграмме появляется горизонтальная площадка (площадка текучести). Его называют физическим пределом текучести. В случае, если у материала площадка текучести отсутствует, принято определять условный предел текучести, соответствующий допуску 0,2 % на остаточную пластическую деформацию, который обозначается σ0,2 .σр− прочность, полученная при разрыве элемента.σВ– предел прочности (временное сопротивление) соответствует максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения. Разрушение– нарушение сплошности металла. В точке Е происходит разрушение образца, т. е. разделение на две несвязанные между собой части. Одной из основных характеристик пластичности материала является полное относительное удлинение при разрыве:

где lк – длина образца после разрыва, lo – первоначальная длина. Заметим, что δравняется величине отрезка 0e на рис. 1.6, за вычетом упругой деформации. Твердость– это способность материала сопротивляться внедрению в него другого значительно более твердого тела, которое называется индентором. По методу Бринелля, индентором является стальной закаленный шарик (рис. 1.7, а). Число твёрдости, по Бринеллю, обозначается HB и может рассчитываться по формуле НВ = F / Аотп., где F – стандартное усилие, Аотп. – площадь

поверхности сферического отпечатка. Однако чаще число твердости HB определяется по диаметру отпечатка с помощью таблиц.

Рис. 1.7. Схемы измерения твердости:

а – методом Бринелля; б – методом Роквелла

Согласно методу Роквелла (рис. 1.7, б), в испытуемую поверхность могут вдавливаться различные инденторы. Для твёрдых закалённых сталей используют алмазный конус с углом при вершине 120°, для незакалённых сталей и цветных металлов применяют стальной шарик малого диаметра. Число твердости определяется непосредственно по шкалам прибора после снятия основной нагрузки F, как величина, обратно пропорциональная глубине вдавливания h–h0. При использовании конуса число твёрдости обозначается HRA (F = 0,6 кН) или HRC (F = 1,5 кН). При использовании шарика число твёрдости обозначается HRВ (F = 1 кН). Для надёжной работы материала в разнообразных условиях необходимо оптимальное сочетание параметров прочности и пластичности. Это сочетание зависит от условий работы детали (статические и динамические нагрузки, изнашивание под действием сил трения, циклическое приложение нагрузки) и может регулироваться в широких пределах изменением химического состава и структуры материала.

1.4. Технологическиесвойства

Технологические свойства отражают степень соответствия материала требованиям технологического процесса. К ним относятся: литейные: жидкотекучесть (показывает способность заполнять тонкостенные формы), усадка (характеризует уменьшение размеров отливки в процессе кристаллизации, что приводит к пористости и образованию усадочных раковин), ликвация (отражает возникновение химической неоднородности при кристаллизации сплава);

• деформируемость (ковкость): соотношение пластичности и сопротивления деформации;

• свариваемость: способность сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества;

• обрабатываемость резанием, характеризуется возможностью получения качественного поверхностного слоя и сопротивлением резанию (мощностью,силами резания). Определение технологических свойств проводится при испытаниях, близких к условиям технологического процесса. Например, литейные определяются при заливке жидкого металла в специальные формы. Деформируемость определяется при испытании на осадку при сжатии, выдавливанием через калиброванное отверстие, изгиб на заданный угол и т. д.

Эксплуатационные свойства:износостойкость, коррозионная стойкость, хладостойкость (ниже 0 °С), жаропрочность, жаростойкость, сопротивляемость изнашиванию, коэффициент трения.