Из сказанного следует, что:
упругие свойства тела определяются силами межатомного взаимодействия;
упругая деформация не оказывает заметных остаточных явлений в структуре и свойствах металла.
1.2.2.2 Пластическая деформация
В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. Процесс пластический деформации обычно представляет собой процесс скольжения одной части кристалла относительно другой по плоскостям скольжения
Из рисунка видно, что после снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая деформации.
Важную роль в свойствах металлов играет пластичность.
Пластичность - способность металлов пластически деформироваться.
Благодаря пластичности: осуществляется обработка металлов давлением; перераспределяются более равномерно локальные напряжения, что уменьшает склонность металла к разрушению.
Другим случаем пластического деформирования является двойникование.
Как и скольжение, двойникование осуществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальной части несдвинутой части
Двойники обычно возникают тогда, когда скольжение по каким-либо причинам затруднено. Деформация двойникованием наблюдается при низких температурах и высоких скоростях нагружения
Величина нагрузок (напряжений) необходимых для осуществления пластической деформации зависит от двух факторов: 1) скорости деформирования; 2) величины температуры.
При увеличении скорости деформирования достижение заданной деформации требует приложения больших нагрузок. При увеличение температуры значение нагрузок деформирования снижается.
1.2.3 Диаграмма растяжения металлов
Испытание на растяжение - самый простой и наиболее распространенный метод испытания металлов на прочность.
При растяжении образца с площадью поперечного сечения F0 и длиной l0 строят диаграмму растяжения в координатах нагрузка (Р) - удлинение образца (l) (Рисунок 1)
Рисунок 1- Диаграмма растяжения пластичного металлла
На диаграмме выделяют три участка:
Упругая деформация - нагружение производится до Рупр.
Область равномерной пластической деформации - от Рупр до Рmax.
Область сосредоточенной пластической деформации (область развития трещины) - от Рmax до Рк.
Таким образом, напряжение - это отношение нагрузки прилагаемой к телу к площади его поперечного сечения:
, (МПа).
Относительная деформация - отношение разности конечной и начальной длины образца к начальной длине:
,
где lк - конечная длина образца (после деформации);
l0 - начальная длина образца (до деформации).
Однако в практике изучения механических свойств металлов принято рассматривать диаграмму растяжения в координатах напряжение - относительные деформация (Рисунок 2).
Рисунок 2- Диаграмма растяжения
пл (предел пропорциональности) - напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает такого значения, что тангенс угла наклона касательной к кривой деформации увеличивается на 50% от своего значения на линейном угловом участке.
пу (предел упругости) - напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% от первоначальной длины образца.
0,2 (предел текучести) - напряжение вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%. За физический предел текучести принимают напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки. Его чаще всего выбирают в качестве одного из показателей прочности.
в (предел прочности) - временное сопротивление разрыву.
Начиная с напряжения, отвечающего значению в деформация сосредотачивается на одном участке образца, где появляется местное суженое поперечного сечения (так называемая шейка). При этом нагрузка падает и в некоторый момент времени образец разрушается (точка С рисунок 2).
1.2.4 Изменение структуры металлов при пластическом деформировании
Пластическая деформация поликристаллических тел протекает также как и в монокристалах путем скольжения или двойникования. Формоизменение металла происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь ввиду, что зерна ориентированы неодинаково, поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно во всем объеме поликристалла.
На полированных образцах под микроскопом можно видеть линии скольжения на предварительно полированных образцах (Людерса-Чернова). Эти линии в пределах отдельных зерен ориентированы одинаково.
При больших степенях деформации кристаллиты меняют свою форму. Так до деформации зерно имело округлую форму, после деформации, в результате смещения по плоскостям скольжения, зерна вытягиваются в направлении действующей силы, образуя волокнистую структуру (Рисунок 3).
При больших степенях деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерная ориентировка кристаллов относительно внешних деформирующих сил получила название текстуры деформации.
Рисунок 3
Текстуирование зерен зависит от ряда факторов:
от степени деформации;
природы металла;
вида деформации, обработки давлением.
1.2.5 Разрушение металлов
При высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением.
Разрушение состоит из двух стадий:
зарождение трещины:
распространение трещины через все сечения изделия.
Разрушение твердого тела - это процесс разделения его на части под действием нагрузок, которые могут сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями.
На атомарном уровне разрушение представляет собой разрыв межатомных связей с образованием двух поверхностей.
1.2.6 Факторы, определяющие характер разрушения
Различают внутренние и внешние факторы.
Внешние факторы: температура; тип надреза или концентратора напряжений; условия и скорость нагружения; характер окружающей среды; форма и размеры детали.
Внутренние факторы: тип кристаллической решетки; химический состав; структура и размер зерна.
1.2.7 Наклеп, возврат и рекристаллизация
После снятия нагрузки большей предела текучести, в образце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести и снижается способность к пластическому деформированию, т.е. металл упрочняется, наклепывается.
Наклеп - упрочнение металла под действием пластической деформации. Однако, в настоящее время установлено, что после пластической деформации изменяются не только механические свойства металла, но и химические и физические. Поэтому в наиболее широком смысле слова наклеп - это изменение физико-механических свойств под действием пластической деформации.
С ростом степени пластической деформации механические свойства (НВ, в, т), характеризующие сопротивляемость деформации возрастают, а способность к пластической деформации () падает (Рисунок 37)
Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышением плотности дислокаций. Кроме того, вследствие, наклепа происходит дробление структуры и образуется точечные несовершенства, что препятствует перемещению дислокаций.
Рисунок 4 - Изменение механических свойств от степени деформации
Пластическая деформация, как уже указывалось, приводит к изменению физико-химических свойств. Наклепанный металл имеет: меньшую плотность, повышенное электросопротивление , пониженную коррозионную устойчивость.
Неравновесная структура (текстура), созданная холодной деформацией устойчива у большинства металлов при t = 25С. повышение температуры ускоряет перемещение дислокаций, их перераспределение и уменьшение их количества.
Процессы, происходящие при нагреве, подразделяются на две стадии:
возврат;
рекристаллизация.
Обе стадии сопровождаются выделением теплоты и уменьшением свободной энергии.
Возвратом называют все изменения структуры и свойств, которые не сопровождаются изменением микроструктуры. При возврате происходит снижение внутренних напряжений, при сохранении текстуры. Возврат происходит при относительно низких температурах (0,3 Тплавл.).
Рекристаллизация - зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов. В результате рекристаллизации образуются новые, чаще всего равноосные кристаллы.
Температура рекристаллизации - наименьшая температура, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен. По А.А.Бочвару:
Трекр = а, Тпл.
где а обычно принимают (0,30,4) Тплавл.
Рекристаллизация состоит из двух процессов (Рисунок ):
первичной рекристаллизации;
собирательной рекристаллизации.
В результате первичной рекристаллизации наклеп полностью снижается, и свойства металла становятся близкими к исходным (Рисунок 5).
Рисунок 5
Собирательная рекристаллизация состоит в росте образовавшихся зерен.
ЛЕКЦИЯ 2
Основы теории сплавов.
Сплавы на основе железа
Понятие о металлических сплавах
Диаграммы состояния двойных сплавов
Методы исследования строения металлов и сплавов
Диаграмма состояния железо цементит (углерод)
Классификация углеродных сталей
Стали обыкновенного качества, качественные конструкционные, высококачественные и особо высококачественные, их маркировка и применение
Углеродистые инструментальные и быстрорежущие стали
Чугунные: белые, серые, ковкие, высокопрочные
Их структура, маркировка, свойства и применения
2.1 СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
2.1.1 НЕКОТОРЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Металлический сплав - соединение двух или нескольких элементов, отличающихся металлическими свойствами. Иначе сплав - вещества, полученные сплавлением нескольких химических элементов (химических соединений).
Компоненты - элементы и химические соединения, образующие сплав. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойные, тройные и т.д.
Фаза - однородная часть сплава, характеризующаяся определенным составом, свойствами, типом кристаллической решетки и отделенная от других частей сплава поверхностью раздела. В сплаве различают четыре вида фаз:
- жидкие растворы;
- твердые чистые металлы;
- твердые растворы;
- химические соединения.
В зависимости от количества фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными.
В жидком состоянии компоненты обычно неограниченно растворимы и образуют жидкий раствор.
В твердом состоянии компоненты могут образовывать:
- механические смеси;
- химические соединения;
- твердые растворы.
Твердые растворы - однофазные системы, которые образуются при условии, что компонентом растворителем является чистый металл или химическое соединение. Твердые растворы образуются при проникновении атомов растворимого элемента в кристаллическую решетку растворителя. Различают растворы:
- замещения;
- внедрения;
- вычитания.
Твердый раствор замещения образуется при замещении части атомов основного металла - растворитель не заштрихованные кружки, атомами растворенного - заштрихованные кружки.
Растворы внедрения образуются при размещении атомов растворенного элемента между узлами кристаллической решетки.
Растворы вычитания образуются на основе химических соединении - главное отличие от растворов замещения и внедрения.
Твердые растворы принято обозначать греческими буквами б, в, г, д и т.д.
Химическое соединение - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или нескольких элементов. Химическое соединение образуется, когда атомы различных элементов сплава притягиваются между собой и между ними имеется электрохимическое различие.
В твердом состоянии компоненты наряду с твердыми растворами и химическими соединениями образуют механические смеси.
Механическая смесь получается тогда, когда компоненты не способны взаимно растворяться в твердом состоянии или неспособны образовывать химические соединения.
2.1.2 ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ
Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава и показывает превращения, протекающие в сплавах в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Диаграмма состояния показывает устойчивые, равновесные состояния сплавов, обладающие при данных условиях минимальным запасом свободной энергии.