Лекции по "Материаловеденю"

 

3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

3.1. Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов

Из свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев  являются важнейшими. Все наиболее ответственные детали и изделия изготавливают из металлов, а не из стекла, пластмасс или камня, чтобы обеспечить им необходимую надежность.

Как было отмечено, для  металлов характерна металлическая  связь, когда в узлах кристаллической  решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Для всех неметаллов характерна ионная или ковалентная связь. Эти виды связи жесткие, обусловленные электростатическим притяжением двух разнородно заряженных ионов. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.

Способность металла  сопротивляться воздействию внешних  сил характеризуется механическими  свойствами. Поэтому при выборе материала  для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение - величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация — изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, кручения, среза (рис. 3.1). В действительности материал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Приложение к материалу  напряжения вызывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое растяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 3.2). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значения деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Рис. 3.1 - Виды деформаций материалов 

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме (рис. 3.2), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением (штриховая линия).

Рис. 3.2 - Кривая деформации

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и остаточную, пластическую деформацию. Величина ее равна горизонтальному отрезку от штриховой линии до сплошной кривой.

При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места и деформация исчезает. Пластическое деформирование представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой. Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла  не возвратится на старое место; деформация сохранится. Эти сдвиги обнаруживаются при микроструктурном исследовании, как это, например, показано на рис. 3.3.

а)                                                                                    б)

Рис. 3.3 - Изменение структуры  стали 45 при пластическом деформировании, х 100: а) до деформирования; б) после деформирования

Кроме того, пластическое деформирование сопровождается дроблением блоков мозаики внутри зерен, а при  значительных степенях деформации наблюдается также заметное изменение форм зерен и их расположения в пространстве, причем между зернами (иногда и внутри зерен) возникают пустоты (поры).

Представленная на рис. 3.2 зависимость ОАВ между приложенным извне напряжением (s) и вызванной им относительной деформацией (e) характеризует механические свойства металлов:

- наклон прямой ОА показывает жесткость металла, или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризуют силы межатомного притяжения;

тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е = s/e);

- напряжение s_пц соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А.

- в технических измерениях принята  характеристика, именуемая пределом текучести s_0,2 (напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от длины - или другого размера - образца, изделия);

- максимальное напряжение s_В соответствует максимальному напряжению, достигнутому при растяжении и называется временным сопротивлением или пределом прочности.

- величина пластической деформации, предшествующая разрушению и  определяемая как относительное изменение длины (или поперечного сечения) - так называемое относительное удлинение d (или относительное сужение y), характеризует пластичность металла; площадь под кривой ОАВ пропорциональна работе, которую надо затратить, чтобы разрушить металл. Этот показатель, определяемый различными способами (главным образом путем удара по надрезанному образцу), характеризует вязкость металла.

Кривая деформации (рис. 3.2) в зависимости  от многих факторов (природа испытуемого  материала, напряженное состояние, скорость и температура испытания и др.) имеет разный вид и, анализируя ее можно получить много ценной информации. Некоторые типичные виды кривых деформации (для растяжения) представлены на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Кривые напряжение - деформация

В поведении металла  после точки В возможны два принципиально различных случая. Если после зарождения трещины ее распространение требует некоторой работы, такое разрушение называется вязким (вязкое разрушение}, характеризуемое определенным видом излома (рис. 3.5 б, г). Если же в точке В наблюдается срыв кривой, то происходит хрупкое разрушение (рис. 3.5 а, в). Возможен промежуточный случай — вначале вязкое, а потом хрупкое разрушение.

Рис. 3.5 - Виды изломов

Механизм пластической деформации существенно отличается от упругой деформации. Пластическая деформация может происходить в результате скольжения или двойникования.

При скольжении наблюдается  взаимный сдвиг частей кристалла  по определенным кристаллографическим плоскостям и направлениям, образующим системы скольжения. Плоскости и направления скольжения обычно отличаются повышенной плотностью упаковки атомов. Металлы с гексагональной решеткой обладают пониженной пластичностью.

В основу современной  теории пластической деформации были взяты следующие положения:

- скольжение распространяется  по плоскости сдвига последовательно,  а не одновременно;

- скольжение начинается  от мест нарушения кристаллической  решетки, которые должны быть  или возникают в кристалле  при его нагружении.

Так как пластическая деформация в кристаллических телах  осуществляется движением дислокаций то упрочнение металла может быть достигнуто путем создания препятствии для их продвижения. Обычно упрочненное состояние достигается при взаимодействии дислокаций друг с другом, с атомами примесей и частицами другой фазы. Дислокации влияют не только на прочностные и пластические свойства металлов, но также и на их физические свойства (увеличивают электросопротивление, скорость диффузии и т. д.).

Большинство методов прямого наблюдения дислокаций основано на регистрации создаваемых ими в решетке искажений. В результате этого изменяется травимость поверхности кристалла, условия дифракции рентгеновских лучей и электронов. На рис. показаны изображения дислокаций в сплавах, полученные в просвечивающем электронном микроскопе.

                            3.2. Механизм разрушения металлов

Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. Хрупкое и вязкое разрушение сильно различаются по скорости развития процесса разрушения: скорость развития хрупкого разрушения очень велика, а скорость развития вязкого разрушения мала, так как оно сопровождается значительной пластической деформацией, протекающей относительно медленно. Что касается причины разрушения, то в обоих случаях это нормальные растягивающие напряжения, которые, достигнув значения теоретической прочности (сил связи между атомами), приводят к разделению материала на части.

Установлено, что причиной образования зародышевых трещин в кристаллах может быть перемещение дислокаций при нагружении материала. Если материал пластичен, то превышение определенного уровня напряжения приводит в движение дислокации, которые скапливаются у каких-то непреодолимых для них препятствий (включения, границы зерен и др.) (рис. 3.6).

При большом скоплении  дислокации эти зоны вообще становятся неспособными к пластическому деформированию и дальнейший рост напряжений ведет  в этом месте к образованию  микротрещин.

В реальных условиях при  нагружении металла трещина опасного размера, которая может привести к хрупкому разрушению, образуется при скоплении приблизительно ста дислокаций. В реальном металле всегда имеются готовые дефекты, в том числе типы трещин, которые могут быть очагом распространения хрупкого разрушения, если концентрация напряжения в материале около края трещины достигнет значения сил связи между атомами. Таким образом, разрушение происходит путем образования трещины и ее роста до критической величины (критическая трещина характеризуется тем, что в ее устье напряжение достигает значения теоретической прочности).

Рис. 3.6 - Дислокационный механизм образования трещины: а) накопление диглокаций у препятствия, б) слияние дислокации и образование зародышевой трещины

От металла, как конструкционного материала, требуется не только высокое  сопротивление деформации (упругой, характеризуемой модулями Е и G; пластической — пределами s_0,2 и s_В), но и высокое сопротивление разрушению.

Обычно сопротивление  деформации объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению —надежность. Если разрушение происходит не за один, а за многие акты нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала. Очевидно, высококачественный конструкционный материал должен быть одноврменно прочным, надежным и долговечным.

Рис. 3.7 - Вид а) хрупкой  и б) вязкой трещины

Для хрупкого разрушения типична острая (рис. 3.7, а), часто  ветвящаяся трещина, большая скорость ее распространения (примерно 0,1- 0,7 от скорости звука) и отсутствие пластической деформации при ее распространении. Трещина движется за счет накопленной упругой энергии.

Для вязкого разрушения характерна тупая, раскрывающаяся трещина (рис. 3.7, б), малая скорость ее распространения и значительная пластическая деформация металла при ее продвижении. Вид разрушения - вязкий или хрупкий определяют в результате изучения изломов (фрактография).

На рис. 3.5 были показаны два вида излома — вязкий “волокнистый” и хрупкий “кристаллический”. Первый вид излома свидетельствует, что для разрушения требовалась определенная работа и металл имеет хорошие свойства; второй — что само разрушение произошло почти мгновенно без затраты большой работы и металл ненадежный.

При электроннсмикроскопическом исследовании вязкое разрушение характеризуется ямочным строением излома (рис. 3.8). Ямки в изломе — результат пластической деформации, вызванной движением тупой трещины. Хрупкое разрушение характеризуется ручьистым изломом. Плоские фасетки указывают на отрыв одной части кристалла от другой.

В действительности в  металлах не бывает ни чисто вязкого, ни чисто хрупкого разрушения. В  первом можно найти следы хрупкости (вязкое разрушение происходит путем  образования пор, перемычки же между ними могут разрушаться путем отрыва, т. е. хрупко, рис. 3.8, б) а во втором — следы пластической деформации (перескок с одной на другую плоскость, рис. 3.8, а). Поэтому когда говорят о вязком или хрупком разрушении металла, это значит, что явно превалирует один из описанных механизмов.

Вид разрушения зависит  от многих факторов — состава металла, его структурного состояния, условий  нагружения и особенно от температуры.

Рис. 3.8 - Схемы а) хрупкого и б) вязкого  разрушений

(сечение перпендикулярно  поверхности излома)

                                               3.3. Методы определения механических свойств

Механические свойства материалов данного состава и обработки зависят от вида напряженного состояния (создаваемого в образцах при испытании), условий и характера нагружения, скорости, температуры и состояния внешней среды. Целью механических испытаний материалов является определение именно тех свойств или точнее их совокупности, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий (деталей машин, приборов и конструкций, а также инструментов) в заданных условиях службы.