Деформация и разрушение металлов – виды и описание процессов с примерами

Деформация и разрушение металлов — виды и описание процессов с примерами

Наиболее эффективные технологические процессы обработки металлов и сплавов происходят при их пластическом формоизменении в горячем или холодном состояниях. Для этого необходимо создать внешние силы, под действием которых происходит деформация металла.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. Прикладываемые к кристаллу/кристаллам внешние силы вызывают упругую и – далее — пластическую деформацию. В последнем случае потребуется нагрузить кристалл таким усилием, чтобы происходящие внутри него изменения приобрели необратимый характер. Для каждого металла момент перехода упругих деформаций в пластические строго индивидуален, и определяется соотношением значений предела временного сопротивления к пределу пластичности/текучести.

Физическая природа деформации металлов

Этот процесс включает в себя упругую и остаточную стадии. Возникающие при этом деформации подразделяются на три группы:

Упругие, т.е., такие, которые полностью исчезают при снятии приложенных внешних сил. Тело при этом приобретает свои первоначальные размеры. Изучением упругих деформаций занимаются теория упругости и сопротивление материалов. Связь между напряжениями и деформациями в этом случае линейна и подчиняется закону Гука.

Упругопластические, которые возникают тогда, когда упругая и пластическая (остаточная) составляющие соизмеримы между собой. Изучение упругопластических деформаций имеет значение для всесторонней оценки запаса прочности металла, поскольку в практике металлообработки такой вид деформации не используется.

Пластические/конечные, при которых упругие изменения формы незначительны, и ими можно пренебречь. Здесь зависимость напряжений и деформаций не носит линейного характера, и зависит от множества факторов.

Любой реальный металл представляет собой совокупность анизотропных кристаллов, ориентация которых произвольна. Поэтому предполагается, что во всех направлениях имеется приблизительно одинаковое количество одинаково ориентированных зёрен. Именно поэтому свойства металла во всех направлениях одинаковы и определяются некоторыми средними значениями. Квазиизотропность металлов облегчает изучение физических основ их деформирования.

Основой для любого изменения формы металла является наличие дефектов в его структуре, прежде всего – дислокаций. С помощью теории дислокаций объясняются механизмы разрушения металла, его кристаллизация, упрочнение/разупрочнение и пр. Ключевым положением теории дислокации является то, что любое изменение формы представляет собой результат перемещения и размножения дефектов в кристаллической решётке. При этом механизм деформации рассматривается на уровне отдельных атомов. Такое представление позволяет анализировать многие физические явления, происходящие в деформируемом теле под нагрузками, при повышенных температурах и т.д.

Упругая деформация

Как уже указывалось, такой вид деформации представляет собой изменение формы материала во времени, которая самопроизвольно снимается после снятия силы или внешней нагрузки. Форма материала изменяется при приложении силы в пределах предела упругости металла, иначе называемого модулем Юнга. Это физическое свойство гарантирует, что эластичные материалы возвращают свои первоначальные размеры после снятия приложенной нагрузки. Здесь деформация обратимая и непостоянная. Упругая деформация металлов обычно наблюдается при малых формоизменениях; их упругое поведение, как правило, линейно.

Упругая деформация включает временное растяжение или искривление связей между атомами кристаллической решётки. Например, при изгибе стального листа все имеющиеся в металле дислокации и связи изгибаются (либо растягиваются) только на несколько процентов, но относительного перемещения атомов при этом не наблюдается. Такая деформация может быть вызвана приложением внешних сил сдвига, которые вызывают соответствующие напряжения растяжения/сжатия.

Наличие упругой деформации материала позволяет всем связям восстанавливаться после напряжения. Но со временем эти свойства ухудшаются, а в некоторых условиях металл может стать хрупким и потерять пластичность. Примером могут служить изменения, которые происходят в олове. При резких температурных колебаниях этот металл становится менее пластичным (известны аллотропические превращения β-олова в α-олово и наоборот, которые в Средние Века именовали оловянной чумой). Часто изменения вызываются воздействиями определённых химикатов, снижающих эластические характеристики металлов.

Эластичность (пружинистость) стали повышается при увеличении процентного содержания углерода в ней. Не случайно для производства автомобильных рессор принимают специальные марки сталей, количество углерода в которых не должно быть менее 0,62…0,70 % (ГОСТ 14959-2016). Упругость таким сталям придаёт также повышенный процент марганца и кремния.

Деформация и разрушение металлов

Деформация – изменение формы и размеров тела под действием внешних воздействий.

Механическое напряжение – мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле и действующих на единицу площади поперечного сечения под влиянием внешних воздействий. Единица напряжения в системе СИ – паскаль (Па): 1Па=1 Н/м 2 , 1 кгс/мм 2 =10 МПа.

Напряжения и вызываемые ими деформации возникают при действии на тело внешних сил в результате фазовых и структурных превращений, связанных с изменением объема.

При упругой деформации (рис. 1.16,а) происходят небольшие смещения атомов из положения равновесия. Баланс кулоновских сил притяжения и отталкивания, которыми были связаны атомы, нарушается. При снятии нагрузкисмещенные атомы под действием кулоновских сил возвращаются в исходное положение, деформация исчезает. С ростом нагрузки начинается пластическая деформация, которая остается после снятия нагрузки. Пластическая деформация в кристаллах осуществляется скольжением и двойникованием (рис. 1.16,б,в). Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием напряжений больше критической величины. При двойниковании сдвиг происходит в ограниченном объеме на определенную величину, одна часть кристалла становится в положение, симметричное относительно другой.

Скольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов (рис. 1.17) и зависит от кристаллической структуры металла, скорости приложения нагрузки, температуры. При приложении касательного напряжения (t) краевая дислокация перемещается вследствие разрыва старых межатомных связей и установления новых (рис. 1.17,б,в). Затем разрываются новые межатомные связи и т. д. Дислокация выходит на край кристалла (рис. 1.17,д). За счет элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг на величину межатомного расстояния. Дислокации не обрываются внутри кристалла, а прерываются на других дислокациях или на границах зерен.

Направления скольжения совпадают с направлениями наиболее плотного расположения атомов. Плоскости и направления скольжения в этой плоскости (рис. 1.18) образуют систему скольжения. Число систем скольжения в металлах с различным типом решетки неодинаково.

В металлах с ГЦК решеткой (Fe_g, Сu, Al, Ni, Ag) четыре плоскости скольжения (111) с тремя направлениями скольжения вдоль диагоналей граней [110] в каждой плоскости образуют 12 систем скольжения.

В металлах с ОЦК решеткой (Fe_a, W) плоскости скольжения (110), (112), (123) и направления скольжения вдоль пространственных диагоналей [111] образуют 48 систем скольжения. При пластической деформации металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a ³ 1,63 (Mg, Zn) скольжение происходит по плоскости базиса (рис. 1.18,в) и трем направлениям скольжения. Эти металлы менее пластичны и труднее, чем металлы с кубической решеткой, поддаются прокатке, штамповке.

В металлах с ГПУ решеткой при c/a £ 1,63 (Zr, Ti) скольжение происходит по плоскостям базиса, пирамидальным и призматическим плоскостям. Эти металлы более пластичные, чем магний и цинк.

Источник Франка-Рида. Дислокация расположена в плоскости скольжения (плоскости рисунка) и закреплена в точках А и А₁другими дислокациями или примесными атомами (рис. 1.19). Под действием сдвигающего напряжения t дислокация выгибается и принимает форму полусферы. Далее распространение дислокации происходит самопроизвольно путем образования двух спиралей. В точке С спирали встречаются.Это приводит к образованию внешней замкнутой петли дислокации и новой дислокации, занимающей исходную позицию А и А₁. Внешняя петля разрастается до поверхности кристалла (зерна), что приводит к элементарному сдвигу, новая дислокация начинает снова выгибаться. Из одного источника образуются сотни дислокаций.

При деформировании монокристалла дислокации перемещаются беспрепятственно на большие расстояния, если плоскость скольжения параллельна направлению напряжения. Монокристалл не упрочняется, пластическая деформация велика. Эта стадия легкого скольжения в кристаллах с ГПУ решеткой достигает 1000 %, с ГЦК и ОЦК – 10-15 %. С ростом деформации возникает множественное скольжение – дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях. Плотность дислокаций растет до 10 2 -10 4 см -2 , сопротивление деформации увеличивается.

При деформировании поликристалла стадия легкого скольжения отсутствует. Достигнув границы зерна, дислокации останавливаются. Напряжения при скоплении дислокаций упруго распространяются через границу и приводят в действие источник Франка-Рида в соседнем зерне. Плоскости и направления скольжения в каждом зерне различны. Зерна деформируются неодинаково, так как ориентированы произвольно по отношению к приложенной нагрузке(рис. 1.20).

С ростом нагрузки деформация зерен сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Зерна вытягиваются в направлении пластического течения. Концентрация дефектов (дислокаций, вакансий, междоузельных атомов) внутри зерен возрастает. Эти дефекты затрудняют движение дислокаций: сопротивление деформации растет, пластичность – уменьшается. Явление упрочнения металла при пластической деформации называют наклепом. При степенях деформации более 40 % появляется кристаллографическая ориентация зерен – текстура деформации (рис. 1.20,г). Внутри зерен дислокации сначала распределены равномерно. С ростом деформации появляется ячеистая структура. Ячейки с размером 0,2-3 мкм свободны от дислокаций; границы ячеек – сложно переплетенные стенки дислокаций.

Деформирование двухфазного сплава. Каждая фаза имеет свои плоскости скольжения и критические напряжения сдвига. Процесс деформирования зависит от количества и структуры второй фазы, характера ее распределения. Если хрупкая вторая фаза располагается в виде сетки по границам зерен пластичной матрицы, то сплав будет хрупким. Если хрупкая фаза присутствует в виде отдельных зерен, то сплав сохранит пластичность.

Когда дислокация наталкивается на когерентные частицы второй фазы, то она либо их перерезает, либо огибает (рис. 1.21,а), в зависимости от их размеров, прочности и расстояния между ними. Когда дислокация наталкивается на некогерентные частицы, то она их только огибает. На рис. 1.21,б показано сначала выгибание, а при больших напряжениях – огибание частиц дислокациями. Оставив вокруг частицы петлю, дислокация скользит в прежнем направлении. При возрастании напряжений число петель вокруг каждой частицы увеличивается, расстояние между ними уменьшается. Напряжение для движения дислокации между частицами возрастает, прочность металла увеличивается.

Разрушение металлов. Процесс деформации при достаточно высоких напряжениях заканчивается зарождением трещины и ее распространением через все сечение образца – разрушением. Если металл претерпевает перед разрушением упругую и значительную пластическую деформацию (более 30 %), то говорят о вязком разрушении. При отсутствии или незначительном развитии пластической деформации происходит хрупкое разрушение. Для хрупкого разрушения характерна острая, ветвящаяся трещина, для вязкого наоборот – тупая, раскрывающаяся трещина. Абсолютно вязкое разрушение характерно для такого материала, как сырая глина; абсолютно хрупкое разрушение свойственно алмазу. Большинству технических материалов присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, разделение проводится условно по преобладанию того или иного вида. Механизм зарождения трещины при хрупком и вязком разрушении одинаков. Возникновение зародыша трещины происходит при скоплении дислокаций перед препятствием (границы зерен, межфазовые границы, включения), что приводит к возникновению концентратора напряжений, достаточных для образования микротрещины (рис. 1.22).

Влияние нагрева на структуру деформированного металла. До пластической деформации металл находится в равновесном состоянии 1 (рис. 1.23) с минимальным запасом свободной энергии. Большая часть работы (до 95 %), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту – металл нагревается. Система переходит в неравновесное состояние 2. Часть энергии (5-10 %), затрачиваемой при деформации на образование большого числа дефектов кристаллического строения, накапливается в металле. Плотность дислокаций в зависимости от степени деформации увеличивается от 10 6 -10 8 до 10 10 -10 12 см -2 . Система переходит в метастабильное состояние 3, устойчивое при комнатной температуре. При нагреве преодолеваются барьеры DЕ для диффузии точечных дефектов и движения дислокаций. Система возвращается в равновесное состояние 1.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на возврат и рекристаллизацию, которые сопровождаются уменьшением свободной энергии. Возврат происходит при низких температурах, рекристаллизация – при более высоких.

Возврат. Форма зерен при возврате не изменяется. При низких температурах нагрева протекает первая стадия возврата – отдых.Уменьшается концентрация собственных точечных дефектов (сток к границам и взаимоуничтожение). Дислокации одинаковых знаков отталкиваются друг от друга, противоположных – притягиваются и аннигилируют (рис. 1.24), т. е. восстанавливаются атомные плоскости. Остаются хаотично расположенные дислокации преимущественно одного знака. Отдых металла снимает внутренние напряжения, уменьшает на 10-15 % твердость и прочность.

При более высоких температурах нагрева протекает вторая стадия возврата – полигонизация.В зернах образуются новые малоугловые границы в результате скольжения и переползания дислокаций. Зерно делится на субзерна – полигоны, свободные от дислокаций. Дислокации скапливаются на границах полигонов, образуя стенки (рис. 1.25). Полигонизация наблюдается не у всех металлов: редко развивается в меди и ее сплавах, хорошо выражена в сплавах алюминия и железа. При деформировании сплавов сложного состава полигонизация приводит к возникновению стабильной ячеистой структуры. Дислокации скапливаются на границах ячеек и вступают во взаимодействие с атомами и дисперсными частицами второй фазы. Ячеистая структура сохраняется при значительном нагреве. Сплавы не рекристаллизуются. При нагреве деформированных металлов процесс отдыха происходит всегда, полигонизация – при определенных условиях.

Первичная рекристаллизация – образование зародышей новых зерен и последующий рост. Зародыши возникают на участках с повышенной плотностью дислокаций, где сосредоточены наибольшие искажения решетки – у границ деформированных зерен, блоков (рис. 1.26). Чем больше степень пластической деформации, тем больше возникает зародышей. Зародыши растут путем диффузии к ним атомов от деформированных участков. Для начала рекристаллизации необходимы следующие условия.

1. Критическая степень деформации металла (например, для алюминия – 2 %, для железа и меди – 5 %). При меньшей степени деформации зарождения новых зерен при нагреве не происходит.

2. Температурный порог рекристаллизации – наименьшая температура нагрева, обеспечивающая возможность зарождения новых зерен:

Коэффициент a зависит от чистоты металла и степени деформации. Металл после холодной деформации со степенью e = 80 % рекристаллизуется при более низкой температуре, чем после деформирования со степенью e = 20 %. Для металлов технической чистоты a = 0,3-0,4, твердых растворов a= 0,5-0,6. Для алюминия, меди и железа технической чистоты Т_рек равна соответственно: 100, 270 и 450 °С.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп. После ее завершения происходит рост образовавшихся зерен – собирательная рекристаллизация. При высоких температурах зерна самопроизвольно укрупняются за счет слияния и объединения границ. Свободная энергия металла уменьшается вследствие уменьшения поверхностной энергии (чем крупнее кристаллы, тем меньше протяженность границ). Заключительный этап – вторичная рекристаллизация, сопровождается неравномерным ростом отдельных зерен по сравнению с другими. Формируются зерна-гиганты и зерна-карлики.

13. Упругая и пластическая деформация металлов

Деформация – это изменение формы и размеров тела, деформация может вызываться воздействием внешних сил, а также другими физико-механическими процессами, которые происходят в теле. К деформациям относятся такие явления, как сдвиг, сжатие, растяжение, изгиб и кручение.

Упругая деформация – это деформация, которая исчезает после снятия нагрузки. Упругая деформация не вызывает остаточных изменений в свойствах и структуре металла; под действием приложенной нагрузки происходит незначительное обратимое смещение атомов.

При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии атомы сближаются. При смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания. После снятия нагрузки смещенные атомы из-за действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние и кристаллы приобретают первоначальные размеры форму.

Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Самое малое напряжение вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и их величина находится в прямой зависимости от напряжения. Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость.

Важное значение имеет пластичность, она определяет возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением. Эти способы основаны на пластическом деформировании металла.

Материалы, которые имеют повышенную пластичность, менее чувствительны к концентраторам напряжений. Для этого проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

Физическая природа деформации металлов

Под действием напряжений происходит изменение формы и размеров тела. Напряжения возникают при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия, а также в результате фазовых превращений и некоторых других физико-химических процессов, которые связанны с изменением объема. Металл, который находится в напряженном состоянии, при любом виде напряжения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные, деформация под действием напряжений может быть упругой и пластической. Пластическая происходит под действием касательных напряжений.

Упругая – это такая деформация, которая после прекращения действия, вызвавшего напряжение, исчезает полностью. При упругом деформировании происходит изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке металла.

С увеличением межатомных расстояний возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решетки исчезает, тело полностью восстанавливает свою форму и размеры. Если нормальные напряжения достигают значения сил межатомной связи, то произойдет хрупкое разрушение путем отрыва. Упругую деформацию вызывают небольшие касательные напряжения.

Пластической называется деформация, остающаяся после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием касательных напряжений происходит необратимое перемещение атомов. При небольших напряжениях атомы смещаются незначительно и после снятия напряжений возвращаются в исходное положение. При увеличении касательного напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, т. е. происходит пластическая деформация.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется упругая составляющая деформации. Часть деформации, которую называют пластической, остается.

При пластической деформации необратимо изменяется структура металла и его свойства. Пластическая деформация осуществляется скольжением и двойникованием.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т. е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения и направления скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения. В металлах могут действовать одна или одновременно несколько систем скольжения.

Металлы с кубической кристаллической решеткой (ГЦК и ОЦК) обладают высокой пластичностью, скольжение в них происходит во многих направлениях.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой, оно осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Перемещение дислокации в плоскости скольжения ММ через кристалл приводит к смещению соответствующей части кристалла на одно межплоскостное расстояние, при этом справа на поверхности кристалла образуется ступенька.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Материаловедение: основы теории разрушения

Вт, 31 Январь 2012 | Тема: Технологии

Простое разрушение — это разделение тела на две или более частей, происходящее при приложении статического (т.е. постоянного или медленно изменяющегося во времени) напряжения при температуре, сравнительно низкой по сравнению с температурой плавления материала. При этом приложенные напряжения могут быть растягивающими, сжимающими или сдвиговыми.

Разрушение конструкционных материалов может происходить по одному из двух путей: оно может быть пластичным или хрупким. Эта классификация основана на том, могут ли в материале создаваться пластические деформации. Для пластических материалов характерны большие пластические деформации, т.е. материалы поглощают большую энергию деформирования до наступления разрушения. При хрупком разрушении, напротив, пластические деформации либо отсутствуют, либо они очень малы и поглощения энергии до разрушения не происходит.

«Пластичность» и «хрупкость» — это лишь условные термины, а то, каким образом разрушение происходит в действительности, зависит от конкретных обстоятельств. Пластичность можно количественно охарактеризовать относительным удлинением или относительным уменьшением поперечного сечения. Далее, пластичность зависит от температуры, скорости деформации, а также от вида напряженного состояния.

Любой процесс разрушения происходит в два этапа: вначале образуется трещина, и затем она распространяется. Характер разрушения в очень сильной степени зависит от механизма распространения трещины. Для пластичных материалов характерно то, что впереди растущей трещины и вокруг нее развивается область пластических деформаций. При этом процесс распространения трещины происходит относительно медленно. Такие трещины часто характеризуют термином «стабильные». В этом случае материал сопротивляется дальнейшему развитию трещины, если только напряжение не увеличивается. Кроме того, визуально наблюдаются крупномасштабные деформации на поверхности разрушения в виде полос кручения и раздира. В случае же хрупкого разрушения, напротив, трещина распространяется очень быстро без каких‐либо заметных пластических деформаций. Трещину в этом случае характеризуют как неустойчивую, а развитие трещины после того, как она возникла, происходит самопроизвольно без увеличения приложенного напряжения.

При приложении растягивающего напряжения большинство металлических сплавов ведут себя как пластичные материалы, а керамики разрушаются хрупко; для полимеров возможно разрушение по обоим путям.

ПЛАСТИЧНОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Характер поверхности, по которой произошло пластические разрушение, имеет свои особенности как на макро‐, так и на микроуровне. Все очень пластичные материалы, например, чистое золото или свинец при комнатной температуре, а также другие металлы, полимеры и неорганические стекла при повышенных температурах при наступлении разрыва образуют суживающуюся шейку, так что уменьшение площади поперечного сечения составляет практически 100%.

При разрушении пластичных металлов образуется лишь умеренно суживающаяся шейка. При этом процесс разрушения обычно осуществляется в несколько стадий. Вначале после того, как появляется шейка, возникают небольшие каверны, или микропустоты внутри поперечного сечения. Затем, по мере развития деформаций, эти микропустоты увеличиваются и сливаются друг с другом так, что образуется эллиптическая трещина с длинной осью, ориентированной перпендикулярно направлению действия напряжения. Трещина продолжает расти в направлении, параллельном своей главной оси путем коалесценции микропустот. И на конечной стадии наступает разрушение вследствие быстрого распространения трещины вокруг наружного периметра шейки путем сдвиговых деформаций, происходящих под углом 45° по направлению к оси растяжения. Это тот угол, под которым касательные напряжения максимальны.

ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ

Хрупкое разрушение происходит в отсутствие заметных деформаций путем быстрого распространения трещины. Направление развития трещины почти строго перпендикулярно направлению приложения нагрузки, а поверхность разрыва в этом случае получается сравнительно гладкой.

Характер поверхности разрыва, образующийся при хрупком разрушении, весьма специфичен именно для этого вида разрушения. При этом какие‐либо заметные следы пластических деформаций отсутствуют. Так, например, при разрушении образцов из некоторых сталей вблизи центра сечения, по которому произошел разрыв, заметна серия V‐образных меток, которые направлены к месту зарождения трещины. Лишь при хрупком разрушении на поверхности разрыва образуются гребни, которые расходятся от места зарождения трещины подобно вееру. Довольно часто оба этих типа отметин бывает сложно обнаружить невооруженным глазом. При разрушении очень жестких мелкозернистых металлов вообще отсутствует сколько‐нибудь различимая картина излома. Поверхности разрушения аморфных материалов, таких как керамические стекла, выглядят блестящими и гладкими.

Для большинства хрупких кристаллических материалов распространение трещины происходит путем последовательного и повторяющегося разрыва атомных связей вдоль определенных кристаллографических плоскостей. Такой процесс называется расщеплением («cleavage»). О разрушении такого типа говорят как о трансзернистом (или транскристаллитном), поскольку в этом случае трещина проходит через зерна. На макроскопическом уровне поверхность разрушения может иметь зернистую или фасеточную текстуру.

При разрушении некоторых сплавов трещина походит по границам зерен. Такой тип разрушения называют межзернистым. Разрушение описанного типа может происходить как следствие процессов, приводящих к ослаблению или устранению хрупкости в областях между зернами.

ПРИНЦИПЫ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

Под механикой разрушения понимается установление количественных связей между свойствами материала, уровнем действующих напряжений, присутствием трещины в образце и механизмом распространения трещины.

Концентрация напряжений
Измеряемые значения предела прочности, по достижении которого материал разрушается, оказываются существенно меньшими, чем результаты теоретических расчетов, основанных на оценке энергии межатомных связей. Это расхождение объясняют присутствием очень маленьких, микроскопических лагун или трещин, которые всегда существуют при обычных условиях на поверхности или внутри объема материала. Существование этих пустот приводит к падению прочности, потому что приложенное напряжение усиливается или концентрируется на вершинах таких трещин, причем степень концентрации напряжений зависит от ориентации трещины и ее геометрической формы.

Если принять, что трещина имеет форму эллипса, образующего пустоту на плоскости, и что эта трещина ориентирована перпендикулярно направлению действия растягивающей нагрузки, то максимальное напряжение σm, которое возникает при вершине трещины, может быть вычислено по формуле:
σm = 2σ0 (а/ρt)1/2 (1)
где σ0 — номинальное растягивающее напряжение, ρt — радиус кривизны при вершине трещины, а а — это длина поверхности трещины или половина длины трещины.
Для относительно длинных трещин, у которых радиус кривизны мал, фактор (а/ρt)1/2 может стать очень большим. Это приводит к тому, что величина σm оказывается много большей σ0.
Иногда отношение σm/σ0 называют коэффициентом концентрации напряжений Кt, так что
Kt = σm/σ0 = 2 (а/ρt)1/2 (2)
Коэффициент концентрации напряжений просто является мерой возрастания напряжений при вершине трещины по сравнению с номинальным значением напряжения.
В качестве комментария следует заметить, что причиной концентрации напряжений могут быть не только микроскопические дефекты, но и макроскопические внутренние разрывы сплошности, т.е. пустоты, а также острые углы и надрезы больших размеров.

Эффект концентрации напряжений более существенен для хрупких, чем для пластичных материалов. Если максимальные напряжения превысят предел текучести в пластичных материалах, то возникнут пластические деформации. Это приведет к более равномерному распределению напряжений в окрестностях концентратора напряжений, что будет способствовать снижению максимального напряжения по сравнению с его ожидаемым теоретическим значением. Такое поведение и перераспределение напряжений вокруг трещин и разрывов сплошности не происходит в хрупком материале, так что максимальное напряжение будет отвечать своему теоретическому значению.

Величину максимального напряжения с, необходимую для распространения трещины в хрупком материале, можно рассчитать на основе принципов механики разрушения. Это напряжение выражается формулой:
σc = (2Eγs/πa)1/2 (3)
где Е — модуль упругости, γs — удельная поверхностная энергия, а — половина длины внутренней трещины.

Во всех хрупких материалах имеется множество трещин и пустот, которые различаются размерами, геометрической формой и ориентацией. Для одной из этих трещин величина растягивающего напряжения в ее вершине превышает величину критического напряжения, что приводит к развитию трещины и в итоге к разрушению.
Можно получить очень маленькие металлические или керамические усы («whiskers»), в которых предположительно нет дефектов. Тогда их прочность приближается к теоретическому пределу.

Вязкость разрушения
Использование принципов механики разрушения позволяет получить следующее выражение, которое определяет зависимость некоего характерного параметра Кc от критического напряжения, при котором может происходить разрастание трещины с, и длины трещины а:
Кс = Yσc√πa (4)
Параметр Кс, определяемый этим выражением, называется вязкостью разрушения. Он представляет собой меру сопротивления материала хрупкому разрушению после образования трещины.

Не имеет особого значения то, что этот параметр выражается в довольно необычных единицах — МПа√м или psi√дюйм (или же ksi√дюйм). Коэффициент Y — это безразмерный фактор, который зависит как от размеров трещины и образца, так и от их геометрической формы, а также от способа приложения нагрузки.
Если говорить о величине коэффициента Y, то для плоского образца, в котором имеется трещина, много более короткая по сравнению с шириной образца, то величина этого коэффициента оказывается близкой к единице. Так, например, если в пластине неограниченной ширины имеется узкая трещина, то Y =1,а если в полубесконечной пластине имеется с края образца трещина длиной а, то Y = 1,1.

Значения Кс для относительно тонких образцов зависят от толщины образца. Однако если толщина образца много больше, чем размер трещины, значения Кс становятся независящими от толщины. В этом случае говорят о плоскостных деформациях.
Под плоскостными деформациями имеется в виду ситуация, когда нагрузка действует на образец так, что отсутствуют компоненты деформации в направлении, перпендикулярном фронтальной и задней граням образца.
Величина Кс для таких толстых образцов называется вязкостью разрушения при плоскостных деформациях и обозначается как KIc. Эта величина рассчитывается по формуле:
KIc = Ya√πa (5)
Именно значения KIc приводятся как характеристика материала для многих случаев.
В материалах, разрушающихся хрупко, пластические деформации впереди растущей трещины развиваться не могут. Поэтому для них характерны низкие значения KIc и разрушение происходит в катастрофическом режиме. Для пластичных материалов значения KIc довольно высокие.
Оценка значений KIc особенно полезна для промежуточных ситуаций, что позволяет избежать опасности хрупкого разрушения.

Величина вязкости разрушения при плоскостных деформациях относится к числу фундаментальных свойств материала. Она зависит от многих факторов, например, температуры, скорости деформации, микроструктуры материала. Величина KIc уменьшается при увеличении скорости деформации и понижении температуры. Далее, увеличение предела текучести, достигаемое путем образования твердого раствора или при деформационном упрочнении, в общем случае, приводит к соответствующему снижению KIc. Как правило, KIc возрастает с измельчением зерен, если состав композиции и другие микроструктурные параметры при этом сохраняются неизменными.

Проектирование, основанное на принципах механики разрушения
В соответствии с уравнениями (4) и (5) для того, чтобы оценить возможность разрушения тех или иных элементов конструкции, необходимо учесть влияние трех факторов, а именно: вязкости разрушения (Кс), или вязкости разрушения при плоскостных деформациях (KIc), приложенное напряжение σ и размер трещины а. При этом, конечно, предполагается, что коэффициент Y известен.
При проектировании того или иного изделия следует, прежде всего, оценить, какой из этих факторов ограничен условиями применения, а какие следует определить при проектировании.

Так, например, выбор материала (т.е. значения Кс и KIc) часто определяются такими требованиями как плотность (где по условиям применения имеются ограничения на вес изделия) и коррозионные характеристики материала в среде, в которой будет применяться изделие. Допустимый размер трещины может ограничиваться, в частности, возможностями измерительной техники. При этом важно понять, что как только ограничения налагаются на два из упомянутых параметра, третий становится строго фиксированным (по уравнениям (4) и (5)).

Например, примем, что значения KIc и а определены условиями применения. Тогда расчетное допустимое (или критическое) напряжение σс находится по формуле:
σc = KIc/Y√πa (6)
Если же задан уровень напряжений и известна вязкость разрушения при плоскостных деформациях, то максимально допустимый размер трещины находится как
ac = 1/π(KIc/ σY)2 (7)

Для обнаружения и измерений как внутренних, так и поверхностных трещин был предложен ряд методов неразрушающего контроля (МНК). Эти методы используют для исследования деталей конструкций с целью определения возникновения дефектов или трещин, которые могли бы привести к преждевременному разрушению изделия. Кроме того, МНК используют как контроль качества в производственном процессе.

Эти методы измерений не должны повредить материал (или конструкцию), которая подвергается испытаниям, некоторые из них могут использоваться только в условиях испытательной лаборатории, другие могут также быть приспособлены для работы в полевых условиях.

РАЗРУШЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ

Предел прочности полимерных материалов невелик по сравнению с прочностью металлов и керамик. Как правило, термореактивные полимеры (в которых имеется густая сетка поперечных связей) разрушаются хрупко. Проще говоря, процесс разрушения происходит таким образом, что трещина образуется в области, в которой имеет место концентрация напряжений (т.е. царапины, надрезы и полости). Как и в случае металлов, напряжения возрастают в вершине трещины, что приводит к ее распространению и, в конечном счете, к разрушению. При этом в момент разрушения образца ковалентные связи в сетке или в структуре поперечных сшивок разрываются.

Разрушение термопластичных полимеров возможно как по пластичному, так и по хрупкому механизму, причем для многих полимеров может наблюдаться переход от пластичного к хрупкому разрушению. Хрупкому разрушению способствуют такие факторы как понижение температуры и увеличение скорости деформации, а также наличие острых надрезов, увеличение толщины образца и любая модификация химической структуры полимера, которая приводит к увеличению температуры стеклования (Tg). Стеклообразные полимеры разрушаются хрупко при температуре ниже температуры стеклования. Однако при повышении температуры в области перехода через температуру стеклования они становятся пластичными, и до момента разрушения деформируются с развитием пластических деформаций.

Еще одним эффектом, часто наблюдаемым до момента разрушения термопластичных полимеров, является крейзинг. Он возникает в областях с локализованным развитием пластических деформаций, которые приводят к образованию множества соединяющихся между собой микропор. Между микропорами образуются фибриллярные мостики, а макромолекулярные цепи переориентируются.
Если действующие напряжения достаточно велики, то мостики растягиваются и разрушаются, что приводит к росту и слиянию микропор. Как следствие этого, начинает образовываться трещина.

Крейз отличается от трещины тем, что он может нести нагрузку, действующую в поперечном направлении. Кроме того, процесс роста крейзов до образования трещины связан с поглощением энергии, что существенно увеличивает вязкость разрушения материала. В стеклообразных материалах развитие трещины лишь в малой степени сопровождается образованием микротрещин, что и является причиной низких значений вязкости разрушения. Крейзы образуются в областях, в которых действуют высокие напряжения из‐за наличия царапин или микропустот, а также гетерогенности молекулярных структур. Кроме того, они растут перпендикулярно направлению действия растягивающих напряжений. Типичный масштаб размеров крейзов — 5 мкм или даже меньше.

Общие принципы механики разрушения применимы также к хрупкому и квазихрупкому разрушению полимеров, а сопротивление этих материалов к разрушению при образовании трещин может быть выражено величиной вязкости разрушения при плоскостной деформации. Значения KIc зависят от характеристик полимера — его молекулярного веса, степени кристалличности, а также от температуры, скорости деформации и природы окружающей среды.

Технологии [154]	Изделия [78]
Оборудование [43]	Сырье [113]
Обзоры рынков [181]	Интервью [96]
Репортаж [25]	Все статьи

Статьи публикуются с разрешения автора и обязательным указанием ссылки на источник

Редакция оплачивает на договорной основе
технические статьи, маркетинговые отчеты, рецептуры, обзоры рынка
и другую отраслевую информацию и права не ее размещение

Приглашаем специалистов к сотрудничеству в качестве внештатных авторов и консультантов!

По вопросам публикации и оплаты статей обращайтесь в редакцию:
Тел: +7 (499) 490-77-79
Прислать сообщение

Пластическая деформация материалов

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

Под термином «деформация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под влиянием напряжений — сил, которые действуют на единицу площади сечения заготовок или деталей. Деформация металла обусловлена:

внешними силами;
усадкой;
структурными превращениями;
внутренними физико-механическими процессами.

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

сжатие – нагрузка прикладывается соосно по направлению к телу;
растяжение – возникает при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся точки крепления тела);
изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
кручение – возникает при приложении к телу крутящего момента.

Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.

Твердые тела подвержены двум видам деформации:

упругой;
пластической.

В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

· в структуре возникают остаточные изменения;

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией. Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла. Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

30 кг/мм — реальная;
1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.

Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия. Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться. Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Холодную.
Горячую.

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже t_рек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;
неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

Температура, выше t_рек.
Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
Отсутствует упрочнение.
Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией. Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик. Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

при относительно небольших температурах;
при повышенном давлении;
с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

кручение (ИПДК);
разноканальное угловое прессование;
всесторонняя ковка;
мультиосевое деформирование;
знакопеременный изгиб;
аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования. Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

Материаловедение. Шпаргалка.

13. Упругая и пластическая деформация металлов.

Физическая природа деформации металлов.

Деформация и разрушение металлов.

Физическая природа деформации металлов.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема.

Металл, находящийся в напряженном состоянии, при любом виде нагружения всегда испытывает напряжения нормальные и касательные (рис. 6.1.).

Рис.6.1. Схема возникновения нормальных и касательных напряжений в металле при его нагружении

Рост нормальных и касательных напряжений приводит к разным последствиям. Рост нормальных напряжений приводит к хрупкому разрушению. Пластическую деформацию вызывают касательные напряжения.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация (рис.6.4 )

В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.

Рис.6.4. Схема пластической деформации и вязкого разрушения под действием касательных напряжений а – ненапряженная решетка; б – упругая деформация; в – упругая и пластическая деформация; г – пластическая деформация; д, е – пластичное (вязкое) разрушение в результате среза

Механические свойства и способы определения их количественных характеристик

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

В точке в в наиболее слабом месте начинает образовываться шейка – сильное местное утомление образца.

Предел прочности – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

Предел прочности характеризует прочность как сопротивления значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение.

Истинное сопротивление разрушению – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца.

Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца.

Пластичность –– способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

 относительное удлинения.

и – начальная и конечная длина образца.

– абсолютное удлинение образца, определяется измерением образца после разрыва.

– начальная площадь поперечного сечения

-площадь поперечного сечения в шейке после разрыва.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: твердость, вязкость, усталостная прочность

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ГОСТ 9013

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 7.1)

Таблица 7.1.Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 o .

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре выше Т_в предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

Прт температуре ниже Т_н сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)

Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), – удельная работа разрушения.

где: F₀ – площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости – температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Деформация и разрушение металлов – виды и описание процессов с примерами

Деформация и разрушение металлов — виды и описание процессов с примерами

Физическая природа деформации металлов

Упругая деформация

Деформация и разрушение металлов

13. Упругая и пластическая деформация металлов

Читайте также

БИЧ МЕТАЛЛОВ

Свойства металлов и сплавов

1. Строение металлов

1. Деформация и разрушение

2. Механические свойства металлов

3. Способы упрочнения металлов и сплавов

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов

ЛЕКЦИЯ № 11. Сплавы цветных металлов

32. Деформация в движущейся вязкой жидкости

§ 23. Коррозия и эрозия металлов

4.16. Химическое окрашивание металлов

7.4.5. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

7.4.7. АНОДНАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

17. Теплоемкость и теплопроводность металлов и сплавов

Материаловедение: основы теории разрушения

Пластическая деформация материалов

Понятие деформации

Механизм возникновения

Скольжение

Двойникование

Межзеренное перемещение

Виды пластической деформации

Холодная деформация. Наклеп

Горячая деформация

Интенсивная пластическая деформация

Материаловедение. Шпаргалка.

13. Упругая и пластическая деформация металлов.

Деформация и разрушение металлов.