Механические свойства металлов

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Размер: px
Начинать показ со страницы:

Download "Механические свойства металлов"

Транскрипт

1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Авторы: Лопатина Екатерина Сергеевна, Ковалева Ангелина Адольфовна, Аникина Валентина Ильинична Механические свойства металлов Конспект лекций для студентов бакалаврского уровня высшего профессионального образования Направление: «Металлургия» Красноярск 2008

2 АННОТАЦИЯ Приведен курс лекций по дисциплине «Механические свойства металлов», в котором изложены современные сведения о механических свойствах металлов и сплавов. Рассмотрены представления об упругости, прочности, пластичности металлов и сплавов, механизмы разрушения, связь механических свойств. Описаны основные методики испытаний для определения механических свойств. 2

3 ВВЕДЕНИЕ Повышение качества продукции металлургического производства является одной из основных задач. Современное производство предъявляет высокие требования к надежности и долговечности изделий, к свойствам и качеству материалов для их изготовления. Из большого количества свойств, важнейшими являются механические свойства и методы их определения. В качестве конструкционных материалов наибольшее применение находят металлы и их сплавы, так как обладают необходимым для современного производства комплексом механических свойств. Важную роль в формировании механических свойств играют технология обработки давлением, термическая и термомеханическая обработки. Важно знать о влиянии легирования, фазовых и структурных превращений, происходящих при обработке на комплекс механических свойств. Механизмы пластической деформации и разрушения являются основой для разработки технологических процессов. Правильно разработанная технология обеспечит получение необходимых свойств и требуемое качество изделий. Поэтому целью изучения предмета «Механические свойства металлов» получить основные представления о теории механических свойств, методах их определения, что обеспечит подготовку квалифицированных специалистов по направлению «Металлургия». В предлагаемом курсе рассматриваются понятия напряжений, деформаций, поведение металлов при упругой, пластической деформациях и разрушении. Для определения поведения металлов в условиях эксплуатации их подвергают испытаниям, условия которых приближены к реальным. Поэтому, в данном курсе рассматриваются механические испытания, такие как статические, динамические и циклические. Приводятся методики и оборудование для проведения данных испытаний, а также расчеты основных свойств. Для составления данного курса в качестве базового учебника использовался Золоторевский В.С. Механические свойства металлов/учебник для вузов.:м., МИСиС, с. 3

4 ЛЕКЦИЯ 1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛАН 1.1 Краткий исторический обзор развития механических испытаний 1.2 Механические свойства как показатели качества 1.3 Классификация механических испытаний 1.4 Условия подобия механических испытаний 1.5 Напряжения. Классификация напряжений 1.6 Упругая и остаточная деформация. Характеристики деформации 1. 1 КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ Современное машино- и приборостроение предъявляют высокие требования к конструкционным материалам в связи с резким повышением многих параметров работы механизмов: давлений, скоростей, температуры и т.п. Широкое использование металлов в современной технике связано с тем, что они обладают замечательным комплексом механических свойств: высокие прочность, твердость и упругость сочетаются у них с хорошими пластичностью и вязкостью. При этом в настоящее время уровень этих свойств резко возрос: разработаны металлические материалы, которые можно использовать и в условиях глубокого холода вблизи абсолютного нуля и при очень высоких температурах, при которых другие материалы служить не могут. Достаточно сказать, что такая важная характеристика, как временное сопротивление за последние лет выросла с 1400 до 3000 МПа. Термическая обработка появилась примерно пять тысяч лет назад. К тому времени относятся упоминания об экзотических способах обработки стальных мечей. Это была первая забота человека об изменении механических свойств металлов. К сожалению, она ограничивалась областью изготовления оружия, а в повседневном обиходе продолжали использовать металлические сплавы случайного химического состава и в сыром (т.е. необработанном) состоянии. Однако и в период создания промышленного производства способы регулирования механических свойств металлов и сплавов были во многом кустарными. Оптимальные режимы термической обработки и оптимальные химические составы сплавов устанавливали путѐм кропотливого экспериментального поиска, причѐм основой для такого поиска были скорее интуиция и опыт исследователя, чем полноценная научная информация о строении металла. Влияние легирования металлических сплавов, а также фазовых (структурных) превращений, происходящих при их термической обработке, на комплекс механических свойств можно достоверно оценить только при помощи 4

5 специальных приборов и методов измерений. К тому времени такие приборы только начали создаваться. Возможность научно-обоснованного подхода к проблеме улучшения механических свойств металлов появилась в начале двадцатого века с развитием структурного анализа. Было установлено, что уровень механических свойств металлов находится в прямой зависимости от внутренней структуры. Совершенствование экспериментальной техники использование рентгеноструктурного, а затем электронно-микроскопического анализа позволило существенно уточнить это основное положение. В пятидесятых годах нашего столетия, когда началось интенсивное исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого металлического строения. Этот вывод сыграл революционизирующую роль и способствовал не только совершенствованию методических приѐмов изучения тонкого внутреннего строения, но и привлечению физических теорий о структуре реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря достижениям физики твердого тела, в частности теории несовершенств и в первую очередь теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения о физических изменениях в металлах при их пластической деформации. Стало ясно, почему малейшие искажения тонкой кристаллической структуры, небольшие нарушения в расположении атомов в кристаллической решетке приводят к резкому изменению такого структурно чувствительного свойства, как сопротивление пластической деформации, причѐм численные характеристики разнятся, иногда на несколько порядков. Интересно, что многочисленные испытания образцов на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и при других способах нагружения не позволили установить механизма явлений, происходящих в металлах при пластической деформации и разрушении. Следует отметить, что все попытки разрабатывать теорию процессов пластической деформации и разрушения, основанные на представлении о металле, как о сплошной непрерывной среде, не принесли желаемых результатов. Формальные методы расчѐтов на основании любых известных теорий прочности не могли дать удовлетворительного объяснения феноменологическим проявлениям процесса пластической деформации, не говоря уже о ее механизме. Даже при расчѐтах, выполненных с учѐтом сил межатомной связи в кристаллической решѐтке, получались значения механических характеристик, резко отличающихся от измеренных экспериментально. Прочная физическая теория и необходимая на новом этапе развития науки о металлах тонкая электронно-микроскопическая методика дали воз- 5

6 можность установить ряд экспериментальных фактов, на базе которых и строится наука о механических свойствах металлов. Несмотря на то, что изучение природы механических свойств металлов привело к серьѐзным успехам, многое в этой области предстоит сделать. Тем более что резервы их прочности далеко не исчерпаны МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАК ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА Одной из основных задач металлургического производства является расширение сортамента и повышение качества продукции для удовлетворения потребности многочисленных отраслей машино- и приборостроения. По прежнему в качестве конструкционных материалов наибольшее применение находят металлы и сплавы, поскольку они обладают необходимыми для современной техники комплексом механических свойств: упругость, прочность, пластичность, твердость, вязкость разрушения, сопротивление динамическим, вибрационным нагрузкам и изнашиванию, длительная прочность при повышенных температурах и радиации, а также при агрессивном воздействии окружающей среды. Качество продукции формируется в процессе всего цикла производства и в этой связи возникает необходимость в управлении качеством и контроля качества. Под качеством понимают совокупность свойств, определяющих пригодность изделия для удовлетворения требований в соответствии с назначением. Свойства изделий представляют собой показатели качества. Методы механических испытаний позволяют оценивать механические свойства той или иной партии изделий по результатам их измерений на определенном количестве образцов, отобранных от этой партии. В некоторых случаях проводят натурные испытания деталей или целых узлов до их разрушения и тогда объем испытаний еще более ограничен. Таким образом, контроль свойств изделий чаще всего носит выборочный характер и, кроме того, сам объект испытания непригоден к дальнейшей работе, т.к. окончательным результатом испытания обычно является его разрушение. Исключение составляет методы измерения твердости, которые не вызывают опасных повреждений изделия и с помощью которых в некоторых случаях можно организовать 100 %-ный контроль данной партии. Материалы обладают низкими значениями сопротивления разрушению по сравнению с теоретическими величинами потому, что большинство металлических материалов пластически деформируются при намного более низких уровнях напряжения и, в конечном счете, разрушаются в результате накопления необратимых повреждений. Кроме того, материалы, из которых изготовлены детали и конструкции, не являются идеальными. Они содержат огромное количество дефектов, присущих самим материалам: поры, частицы шла- 6

7 ка, включения и хрупкие частицы, и дефекты, возникающие в процессе производства: царапины, забоины, швы, возникающие при сварке, сварочные подрезы, следы механической обработки резанием. Кроме того, дефекты конструкции, такие как концентраторы напряжений, возникающие в результате неправильного радиуса закругления или резких изменений площади сечений. Однако это не дает основание утверждать, что конструкционные материалы обречены на разрушение из-за всегда существующих в них или принесенных из вне дефектов. Правильнее считать, что при разработке конструкций необходимо исходить из вероятности контролируемого процесса разрушения, используя «принцип безопасного повреждения», допускающий эксплуатацию конструкций при наличии трещин длиной меньше некоторой критической величины. Тогда в первом приближении проблема надежности сводится к статическому подходу, а именно: сколько дефектов может присутствовать или присутствует в детали или конструкции; насколько они велики и опасны; где они расположены по отношению к высоконагруженным участкам или к местам концентрации напряжений в детали. Безусловно, и размер детали также оказывает влияние на склонность к преждевременному разрушению хотя бы уже потому, что в большем объеме материала содержится большее количество дефектов, не говоря уже об опасно большом запасе упругой энергии в крупной детали. Надежность является одним из главных показателей качества изделий. Она характеризует способность изделия осуществлять свои функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение установленного времени или требуемой наработки. Наработка продолжительность функционирования изделия или произведѐнный им объем работ. Наработка выражается в часах, километрах, тоннах и т.д. Так как многие физико-механические свойства, отражающие качество изделия, изменяются в течение времени, то надежность характеризуются комплексом свойств, таких как безотказность, долговечность, ремонтопригодность. Безотказность свойство изделия сохранять работоспособность в течение установленного времени или при выполнении определенного объема работы без вынужденных перерывов в заданных условиях эксплуатации. Долговечность определяется не только физическим износом изделия, но и моральным износом, когда становится нерациональным его использование даже при его физической годности. Ремонтопригодность показывает степень удобства замены изделия при ремонте объекта, приспособленности этого изделия к условиям быстрого ремонта. Одним из действенных средств обеспечения надежной работы изделия является стандартизация методов контроля, и испытаний, измерений, анализа. Стандарты на методы контроля должны обеспечивать объективную проверку 7

8 всех обязательных требований к качеству продукции при ее создании, сертификации и использовании. Социально- экономическое развитие страны предопределяет необходимость принципиально нового подхода не только к совершенствованию технологии производства и качеству выпускаемой продукции, но и к сложившейся системе обеспечения достоверности испытаний, контроля и измерений, в том числе аналитического контроля материалов. В металлургической промышленности результаты количественного анализа представляют собой один из основных источников измерительной информации о показателях качества сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также о стабильности технологического процесса (или его выхода из подконтрольного состояния). Конечной целью управляющего воздействия на процесс получения измерительной информации должна быть согласованность на уровне требуемой точности измерений, выполняемых в разных аналитических лабораториях и с использованием различных методик количественного анализа, поскольку при нарушении единства измерений и недостаточной их точности, управление производством и качеством продукции оказывается невозможным. В настоящее время актуальны два направления развития в испытаниях материалов. Первое состоит во внедрении систем автоматизации испытаний. Это должно поднять точность испытаний за счет того, что будет исключен человеческий фактор в тех методах, где сейчас получение значений зависит от человека (например, измерение диаметров отпечатков). Также автоматизация позволяет проводить сплошной контроль деталей неразрушающими методами, проводить статистическую обработку результатов испытаний, что сейчас необходимо для систем управления качеством при определении состояния технологического процесса (оптимальное/разбалансированное), необходимости внесения изменений в него и регистрация реакции на изменения (влияют ли изменения на процесс, т.е. является ли он управляемым). Второе направление состоит в совершенствовании имеющихся методов, определение оптимальных параметров для частных случаев испытаний. Этот метод получает наибольшее распространение, т.к. позволяет на имеющемся оборудовании получать более точные результаты, не требует столь больших инвестиции, как автоматизация. 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ Механические свойства характеризуются: механическими напряжениями, деформациями, работой, долговечностью и зависят от формы и размеров тела, состояния его поверхности, структуры и т.д. К основным свойствам относятся: Прочность сопротивление материала деформации и разрушению; 8

9 Упругость способность материала восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил; Пластичность способность материала под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил; Твердость сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела; Ударная вязкость способность материала сопротивляться действию ударных нагрузок; Истираемость способность материала изнашиваться под влиянием сил трения. К большинству изделий первое требование это достаточная прочность. Многие изделия кроме общей прочности должны обладать еще и особыми свойствами в зависимости от назначения, условий обработки или эксплуатации. Например: режущие инструменты должны обладать высокой твердостью; сплавы (стали) для изготовления рессор и пружин высокой упругостью. Вязкие материалы идут на изготовление деталей, которые при работе подвергаются ударным нагрузкам; пластичные материалы для обработки давлением. Механические свойства определяются по результатам механических испытаний. Механические испытания это определение механических свойств материалов различными способами. Многообразие условий службы и обработки металлических материалов предопределяет необходимость проведения большого числа механических испытаний. Они классифицируются по разным принципам. В основном используют два способа нагружения образца: 1. Путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации. 2. Подачи постоянной нагрузки (напряжения) на образец с измерением возникающей при этом деформации. Наиболее распространен первый способ, обеспечивающий возможность непрерывного измерения и записи силы сопротивления образца деформированию. Он используется практически во всех разновидностях статических испытаний. Примеры применения второго способа нагружения испытания на ползучесть, длительную прочность и замедленное разрушение. Механические испытания можно классифицировать также по характеру изменения нагрузки во времени. По этому принципу нагрузки подразделяют на статические, динамические и циклические. Статические нагрузки относительно медленно возрастают от нуля до некоторой максимальной величины (обычно секунды - минуты). 9

10 Динамические нагрузки - возрастание происходит за очень короткий промежуток времени (доли секунды). Циклические нагрузки характеризуются многократными изменениями по направлению и (или) величине. В соответствии с характером действующих нагрузок различают статические, динамические и усталостные испытания. Статические испытания отличаются плавным, относительно медленным изменением нагрузки образца и малой скоростью его деформаций. Наиболее важны следующие разновидности статических испытаний, отличающиеся схемой приложения нагрузки к образцу: одноосные растяжения, одноосное сжатии, изгиб, кручение, растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной (плоские и объемные схема напряженного состояния). Динамические испытания характеризуются приложением к образцу нагрузок с резким изменением их величины и большой скоростью деформации, длительность всего испытания не превышает сотых тысячных долей секунды. В результате динамических испытаний определяют величину полной и удельной работы динамической деформации, а также величину остаточной деформации образца (абсолютной или относительной). Данных о величине напряжений и деформаций в процессе этих испытаний обычно не получают, хотя в принципе это возможно. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме изгиба. Испытания на усталость проводят при многократном приложении к образцу изменяющихся нагрузок. Такие испытания обычно длительны (часы сотни часов), по их результатам определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжений, а в конечном итоге то предельное напряжение, которое образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения. Помимо рассмотренных статических, динамических и усталостных, различают еще две большие специфические группы испытаний. Первые характеристики сопротивления деформации или, реже, разрушению поверхностных слоев образца при взаимодействии их с другим телом индентором (от английского indentation - вдавливание). Большинство испытаний на твердость статические. Вторая группа испытания на ползучесть и длительную прочность. Их обычно проводят при повышенных температурах для оценки характеристик жаропрочности. Образцы здесь в течение всего испытания находятся под постоянным напряжением или нагрузкой. При испытании на ползучесть измеряют величину деформации в зависимости от времени при разных напряжениях в образце, а при испытании на длительную прочность оценивают время до разрушения под действием различных напряжений. Существует еще ряд методов и разновидностей механических испытаний, который используют на практике в более ограниченных масштабах. 10

11 Как видно, методы проведения испытаний весьма разнообразны. К тому же они проводятся при разных температурах, начиная от очень низких отрицательных и кончая температурами в интервале плавления, в разных средах и т.д. Все это вполне естественно, ибо отражает разнообразие условий эксплуатации и обработки металлов и сплавов, которые в конечном итоге пытаются моделировать испытания. 1.4 УСЛОВИЯ ПОДОБИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ Большинство характеристик механических свойств металлов и сплавов не является их физическими константами. Они в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Поэтому нельзя судить о свойствах металлических материалов по данным механических испытаний, которые проводятся разными исследователями по разным методикам. Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые обеспечивали бы постоянство результатов при многократном выполнении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания. Кроме того, соблюдения этих правил должно гарантировать сопоставимость результатов испытаний, проведенных в разное время, в разных лабораториях, на различном оборудовании, образцах и т.д. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний. Для соблюдения условий подобия образцы следует подвергать испытаниям при одинаковой схеме напряженного состояния и в одинаковых физических условиях. Отсюда следует необходимость соблюдения трех видов подобия: 1) геометрического (форма и размеры образца); 2) механического (схема и скорость приложения нагрузок); 3) физического (внешние физические условия). Условие геометрического подобия сводится к тому, что испытываемые образцы должны иметь геометрически подобную форму (рис. 1.1). Например, два образца на рис. геометрически подобны, они имеют качественно одинаковую конфигурацию, а отношения любых двух соответственных размеров каждого из них равны d 1 /D 1 =d 2 /D 2, l 1 /d 1 =l 2 /d 2 и т.д. Форма и размеры образца влияют на результаты испытания через схему напряженного состояния, которая зависит от формы тела и определенного расположения точек приложения нагрузок. Естественно, что еще в большей степени на напряженное состояние в образце влияет схема приложения нагрузок. В общем виде механическое подобие заключается в том, что в сходственных сечениях рабочей части образцов возникают тождественное напряженное состояние и одинаковая относительная деформация. 11

12 D 2 Следует отметить, что сформулированные условия геометрического D1 и механического подобия обеспечивают тождество напряженных состояний и относительных деформаций не во всех случаях. Отклонения наблюдаются, в частности, при хрупком разруше- d d 2 1 нии, при очень больших различиях в абсолютных размерах образцов (масштабный фактор) и в ряде других случаев, каждый из которых имеет свое объяснение. Например, влияние масштабного фактора можно объяснить на основе статистических теорий прочности. Снижение механических свойств при увеличении размеров образцов Рис. 1.1 Геометрически подобные образцы связывают с увеличением вероятности существования опасных поверхностных и внутренних дефектов концентраторов напряжений, вызывающих преждевременную деформацию и разрушение. Необходимость физического подобия для получения воспроизводимых и сопоставимых результатов испытаний совершенно очевидна и не требует специальных разъяснений. Когда необходимо получение сопоставимых данных по свойствам разных материалов, соблюдение физического подобия усложняется. Например, сравнение механических свойств разных металлов и сплавов при одной температуре может быть при решении определенных задач лишено физического смысла. Механические свойства, в частности прочностные, связаны с температурой начала плавления металла или сплава: при прочих равных условиях, чем выше эта температура, тем выше прочностные характеристики при заданной температуре испытаний. Поэтому сопоставление свойств разных металлов более правильно проводить при одинаковых гомологических температурах, т.е. одинаковых отношениях абсолютных температур испытания и плавления Т исп /Т пл (градус Кельвина). Для получения сопоставимых результатов и правильного их анализа, кроме соблюдения трех перечисленных условий подобия, большое значение имеет методика изготовления образцов для испытания. Способ изготовления образца должен быть таким, чтобы в последнем создавалась структура, идентичная структуре соответствующей детали. Важность соблюдения условий подобия при проведении механических испытаний наглядно демонстрируется стандартизацией их методики в государственном, а некоторых и в международном масштабе. Имеются ГОСТы на большинство наиболее распространенных испытаний. В них, с учетом всех ус- l1 l2 12

13 ловий подобия, унифицированы формы и размеры образцов, качество их изготовления, основные методические приемы испытания, а также, требования к применяемой аппаратуре, точности замера напряжений и деформаций, температуры и т.д. 1.5 НАПРЯЖЕНИЯ. КЛАССИФИКАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ Многие механические свойства выражаются через величину напряжений. Напряжением называют приложенную к телу нагрузку P, отнесенную к единице площади его сечения F (формула 1.1). Р S= (1.1) F Следовательно, напряжение является удельной величиной, т.е. такой характеристикой нагрузки, которая не зависит от размеров тела, подвергаемого нагружению, и имеет размерность мегапаскаль (МПа) или кгс/мм 2. 1 кгс/мм 2 =9,8 МПа В единицах напряжений выражаются важнейшие механические свойства (сопротивление разрушению, пластическому течению, вдавливанию, усталости, ползучести и др.). Они являются техническими характеристиками материалов и могут быть использованы для расчета разнообразных конкретных изделий. В общем случае вектор силы (нагрузки) не перпендикулярен плоскости площадки, на которую она действует. Тогда ее, как и любой вектор можно разложить на две составляющие: нормальную (перпендикулярную к площадке), создающую нормальное напряжение, и касательную (действующую в плоскости площадки), вызывающую касательное напряжение (рис. 1.2). В механических испытаниях определяют именно эти напряжения. Их же используют в расчетах на прочность. Это связано с тем, что одни процессы при деформации и разрушении определяется касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза), а другие нормальным (разрушение отрывом). Из рисунка 1.2 следует, что полное напряжение S n, действующее в заштрихованном сечении, площадью F, нормаль к которому образует угол с направлением внешней силы Р, равно S n = P/ F. Поскольку F = F 0 /cos (F 0 площадь сечения, перпендикулярного оси растяжения), то S n = (P/F 0 ) cos. Тогда нормальное напряжение в сечении F (формула 1.2) : S = (P/F 0 ) cos 2, (1.2) а касательное (формула 1.3): t P 1 P cos sin sin 2 F 2 F. (1.3)

14 F α S S n α F 0 Рис. 1.2 Схемы определения составляющих полного напряжения t Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные). Напряжения, которыми оперируют в механических испытаниях, могут быть истинными и условными. Если напряжение рассчитывают как отношение нагрузки в данный момент времени Р i к исходной площади сечения F 0, то такое напряжение называют условным. Если напряжение рассчитывают как отношение нагрузки в данный момент времени Р i к площади сечения в тот же момент времени F i, то такое напряжение называют истинным. Физический смысл имеют только истинные напряжения, но на практике часто более удобно пользоваться условными, особенно при малой степени деформации, когда изменение площади сечения невелико. Истинные напряжения обозначают символами S (нормальные) и t (касательные), а условные (нормальные) и (касательные). 1.6 УПРУГАЯ И ОСТАТОЧНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФОРМАЦИИ Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться формы и размеры тела. Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия внешних напряжений остаточными. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической. По результатам механических испытаний оценивают различные характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Увеличение длины образца в результате деформации обычно называют условным относительным удлинением (формула 1.4): l l0 l к 100 % 100 %, (1.4) l l 0 где δ- условное относительное удлинение, %; l 0 начальная длина образца, мм; l к конечная длина образца, мм; Δl - абсолютное удлинение, мм. Как и в случае напряжений, иногда целесообразно определять не условную, а истинную деформацию (формула 1.5), т.е. учитывать непрерывное изменение размеров тела в процессе деформирования: l 0 к dl lк е ln (1.5) l l l 0 0 Истинная деформация, в отличие от условной, отражает смысл процесса деформирования. При больших деформациях ( 60 %) значения истинной и 14

15 условной деформаций существенно различаются (истинное удлинение меньше условного). В области малых деформаций е. Удлинение и укорочение образца обычно происходят под действием нормальных напряжений. Касательные напряжения вызывают сдвиговые деформации, которые оценивают по углу сдвига (в радианах) или по величине относительного сдвига g = tg Широко используемой характеристикой деформации является условное относительное сужение (формула 1.6): F0 Fк 100, (1.6) F0 где - условное относительное сужение, %; F 0 начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ; F к конечная площадь поперечного сечения образца, мм 2. Между е,, существует связь в области равномерной деформации, т.е. пока величина относительных изменений размеров во всех точках рабочей части образца одинакова. Эта связь следует из условий постоянства объема при пластической деформации: F 0 l 0 = F к l к или l к / l 0 = F 0 / F к. F0 Fk Fk F0 1 ψ= 1, следовательно и l 1 k F0 F 0 F k 1 l 0 1. Отсюда е=ln(l к / l 0 )=ln(f 0 / F к )=ln(1/(1-ψ))=ln(1+δ). ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют качеством изделия? 2. Перечислите основные механические свойства материалов? 3. Как классифицируют механические испытания по характеру изменения действующей нагрузки во времени? 4. Какие испытания называют статическими? 5. Какие испытания называют динамическими? 6. Какие испытания называют циклическими? 7. Как называются условия, обеспечивающие постоянство и сопоставимость результатов? 8. Перечислите и объясните условия подобия механических испытаний? 9. Какие температуры называются гомологическими? 10. Что называют напряжением? 11.В каких единицах измеряется напряжение? 12. Какие напряжения называют нормальными, а какие касательными? 13. Какие напряжения относят к истинным, а какие к условным? 14. Как обозначаются напряжения? 15. Какие деформации называются упругими? 16. Какие деформации называются пластическими? 17. Какие деформации называются остаточными? 18. Какие существуют характеристики деформации? 15

16 19. Как определяется относительное удлинение? 20. Как определяется относительное сужение? 21. Как определяется истинное удлинение? 22. Как определяется истинное сужение? ЛЕКЦИЯ 2 НАПРЯЖЕННОЕ И ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЯ ПЛАН 2.1 Тензоры напряжений и деформаций 2.2 Схемы напряженного и деформированного состояний в механических испытаниях 2.3 Коэффициенты мягкости и трехосности. 2.4 ГОСТ Р на методику проведения испытаний и расчет свойств. 2.1 ТЕНЗОРЫ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ При решении реальных задач нельзя ограничиться знанием величины напряжений в каком то определенном сечении. Необходимо иметь возможность оценить напряжения, действующие в любом сечении тела. Для этого используют представление о тензоре напряжений. Внутри тела, находящегося под действием напряжений можно выделить бесконечно малый параллелепипед (рис. 2.1). y Z t zy t yz S S t yx t zx t xy t xz Рис. 2.1 Взаимно уравновешенные напряжения, действующие на грани параллелепипеда S В общем случае на три его непараллельные грани действуют взаимно уравновешенные векторы напряжений, которые можно разложить на нормальные и касательные составляющие. Чтобы параллелепипед находился в равновесии необходимо t xy =t yx, t zy =t yz, t xz =t zx, следовательно, тензор содержит шесть независимых напряжений. С их помощью можно охарактеризовать любое сложнонапряженное состояние. Тензор позволяет определить величину нормальных и касательных напряжений в любой площадке, проходящей через данную точку тела, если известны ее направляющие косинусы (косинус угла между нормалью к площадке и соответствующей осью координат) относительно выбранных координатных осей. X 16

17 В теории упругости доказывается, что при любом напряженном состоянии через каждую точку тела можно провести, по меньшей мере, три взаимно перпендикулярные площадки, на которых касательные напряжения нулевые и, следовательно, действуют только нормальные напряжения. Такие площадки и направления нормалей к ним называют главными площадками и главными направлениями (осями) напряжений, а действующие на этих площадках напряжения главными нормальными напряжениями. При механических испытаниях главные направления напряжений обычно заранее известны, и их можно выбрать в качестве координатных осей. Тогда тензор напряжений принимает вид (формула 2.1): S1 0 0 S 0 S2 0 (2.1) 0 0 S3 где S 1, S 3, S 2 наибольшее, наименьшее и среднее главные нормальные напряжения. Главные касательные напряжения, действующие на трех взаимно перпендикулярных площадках, расположенных под углом 45 к главным осям, рассчитывают по формулам : t 1 = (S 2 S 3 )/2 (2.2) t 2 = (S 1 S 3 )/2 (2.3) t 3 = (S 1 S 2 )/2 (2.4) Относительные удлинения и сдвиги (e, g) фундаментальные характеристики деформации, которые используются в теории упругости и пластичности. Совокупность удлинений и сдвигов тензор деформации (формула 2.5). По аналогии с тензором напряжений характеризует любое деформированное состояние в данной точке и позволяет определять е в любом направлении и g в любой плоскости. g= е е е 3, е 1 >е 2 >е 3 (2.5) Зная тензор деформации в данной точке тела, можно оценить относительную деформацию в любом направлении, исходящем из этой точки. Максимальные сдвиги происходят в направлениях, делящих пополам углы между направлениями главных удлинений: g 1 =e 1 -e 3, g 2 =e 1 -e 2, g 3 =e 2 -e 3. Более сложное деформированное состояние, когда главные удлинения не равны, может быть разделено на две составляющие щаровой тензор и девиатор деформации. Первый описывает изменение объема без изменения формы, а второй изменение формы (посредством сдвигов), без изменения объема. 17

18 2.2 СХЕМЫ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЙ В МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ Результаты механических испытаний в значительной мере определяются схемой напряженного состояния, которая задается в образце условиями его нагружения. Один и тот же материал может проявлять резко различные характеристики прочности и пластичности, если его испытывать при разных схемах напряженного состояния (рис. 2.2, 2.3, табл. 2.1). Помимо этого, большое значение при механических испытаниях имеет деформированное состояние, возникающее в материале образца. В немногих простейших случаях напряженное состояние одинаково во всех точках тела. Такое напряженное состояние называется однородным, например, осевое растяжение образца до образования шейки или сжатие цилиндрического образца без образования бочки, или гидростатическое сжатие шара. В этих случаях тензор напряжений в любой точке однозначно характеризует напряженное состояние всего тела. Однако в большинстве случаев напряженное состояние тела неоднородно, т. е. изменяется от точки к точке. В этом случае говорят либо только о напряженном состоянии элемента объема, либо о тензорном поле напряжений. В этом случае различают напряженное состояние и свойства элемента и напряженное состояние и свойства тела, которые не совпадают одно с другим. В простейших случаях может наблюдаться линейная зависимость составляющих тензора напряжений от одной, двух или трех координат точки. Например, в упругой области при чистом изгибе стержней постоянного сечения напряжения линейно зависят только от одной координаты, направленной вдоль радиуса изгиба. При других случаях изгиба и при кручении стержней постоянного сечения в упругой области наблюдается линейная зависимость напряжений от двух координат. Это простейшие примеры неоднородных напряженных состояний. В общем же случае неоднородное напряженное состояние характеризуется некоторой определенной зависимостью тензора напряжений от всех трех координат точки. Следовательно, поле напряжений это поле тензоров. Таким образом, характеристика напряженного состояния, которую в технике часто представляют упрощенно, на самом деле является довольно сложной. Эта сложность весьма затрудняет установление количественных зависимостей между различными механическими характеристиками. Необходимо различать понятия «напряженное состояние», характеризующееся тензором напряжений в данной точке, и «способ нагружения», характеризующийся способом приложения внешней нагрузки, формой (контуром) тела, условиями закрепления и т. д. Хотя при каждом данном способе нагружения возникает вполне определенное напряженное состояние, однако 18

19 установление последнего является часто сложной задачей. Во многих практических случаях способ нагружения известен, например, растяжение или изгиб образца с надрезом такой-то формы и т. п., между тем как напряженное состояние, возникающее при этом, изучено лишь приближенно или вовсе не изучено. Характер изменения напряженного состояния при переходе от точки к точке может играть важную роль в процессах деформации, прежде всего в тех случаях, когда деформация развивается неоднородно. В таких случаях решающее значение имеют условия достижения максимального напряжения не в данной точке, а по телу на определенном протяжении. Простейшим напряженным состоянием в данной точке относительно главных напряжений является линейное или одноосное, осуществляемое при осевом растяжении или сжатии стержня; в этом случае два главных напряжения равны нулю. При плоских напряженных состояниях третье главное напряжение равно нулю. Такие напряженные состояния весьма распространены и встречаются, например, одноименные в тонкостенных сосудах, нагруженных внутренним давлением, разноименные при кручении. При нагружении тел, размеры которых в одном направлении значительно меньше, чем в двух других (изделия из тонких листов), часто оказывается возможным пренебречь третьим главным напряжением, действующим перпендикулярно поверхности листа, и приближенно считать напряженное состояние плоским. Объемное напряженное состояние называется одноименным, если все три главных нормальных напряжения имеют одинаковый знак (все три растягивающие, например, в центре растягиваемого цилиндрического образца с кольцевым надрезом, или все три сжимающие, например, под шариком, вдавливаемым в поверхность металла при испытании на твердость). Объемное напряженное состояние называется разноименным, если главные напряжения растягивающие и сжимающие, например, при кручении цилиндрического стержня. Среди объемных напряженных состояний большой теоретический интерес представляет трехосное равномерное растяжение, иногда называемое гидростатическим растяжением (принципиально метод хрупкого разрушения любых изотропных материалов, поскольку в этом случае касательные напряжения и сдвиговая деформация должны отсутствовать). В чистом виде равномерное объемное растяжение экспериментально не осуществлено. Напряженное состояние, обратное по знаку всестороннему растяжению, гидростатическое сжатие, неоднократно осуществлялось экспериментально. 19

20 Рис. 2.2 Схемы действия нагрузок Одноосное растяжение Одноосное сжатие Двухосное растяжение Двухосное сжатие Разноименное плоское напряженное состояние Трехосное растяжение Трехосное сжатие Разноименное объемное напряженное состояние Рис. 2.3 Схемы напряженного состояния 20

21 Объемное Плоское Линейное Схемы напряженных состояний (по Я.Б. Фридману) Таблица 2.1 Напряженное состояние Одноосное растяжение Одноосное сжатие Двухосное растяжение Двухосное сжатие Разноименное плоское напряженное состояние Трехосное растяжение Трехосное сжатие Разноименное объемное напряженное состояние Примеры реализации S S S S S S S S 1 > S 3 <0 S S S S 1 >0, S 2 > S S3 S 2 <0, S 3 <0 S S3 S 1 >0, S 3 <0 S1 0 0 S S 3 S 1 >0, S 2 >0, S 3 >0 S S S3 S 1 <0, S 2 <0, S 3 <0 S S S S S S 1 >0, S 2 <0, S 3 <0 или S 1 <0, S 2 >0, S 3 <0 3 Тензор напряжений Испытания гладких образцов на растяжение (до образования шейки) Испытание на сжатие (при отсутствии трения на торцевых поверхностях) Изгиб широкого образца. Тонкостенный цилиндр, подвергаемый внутреннему давлению и осевому растяжению Кольцевое сжатие образцов по боковой поверхности Кручение цилиндрического стержня Гидростатическое растяжение в центре нагреваемого шара. Растяжение цилиндрического образца с кольцевым надрезом. Растяжение и изгиб образцов с надрезом и трещиной Гидростатическое сжатие. Испытание на твердость вдавливанием индентора Растяжение образца с шейкой под гидростатическим давлением 21

22 2.3 КОЭФФИЦИЕНТЫ МЯГКОСТИ И ТРЕХОСНОСТИ. Схема напряженного состояния влияет на механические свойства и, особенно на характеристики деформации (пластичности) через соотношение сжимающих и растягивающих напряжений. Сжимающие напряжения в большей мере способствуют проявлению пластичности, чем растягивающие. Поэтому, чем больше роль сжимающих напряжений в схеме напряженного состояния, тем она считается «мягче», так как при ее реализации деформационная способность материала больше. Одна из наиболее важных характеристик напряженного состояния это коэффициент «мягкости» (формула 2.6). (2.6) t max n Smax где t max - максимальное касательное напряжение (формула 2.7) t S S 2 max min max (2.7) n Smax-наибольшее приведенное главное нормальное напряжение (формула 2.8). По второй теории прочности: n Smax S1 ( S2 S3 ) (2.8) где - коэффициент Пуассона. У многих металлов коэффициент Пуассона примерно одинаков ( 0,25) и величину можно рассчитывать по уравнению 2.9: S1 S 0,5( S 3 (2.9) 2S1 2 S3 ) Если t max >S n max,то при нагружении образца, прежде чем произойдет хрупкое разрушение, начнется пластическая деформация и хрупкий отрыв будет предотвращен. Если t max <S n max,то разрушение может произойти до появления пластической деформации. Поэтому, чем больше t max и меньше S n max,тем более благоприятные условия для развития пластической деформации. Жесткость схемы напряженного состояния может быть охарактеризована также коэффициентом трехосности (формула 2.10). =S n //S max /, (2.10) где /S max / - наибольшее (по модулю) главное нормальное напряжение; S n гидростатическое или среднее нормальное напряжение, действующее на октаэдрических площадках, равно наклоненных к трем главным осям. Поскольку для плоскости октаэдра направляющие косинусы a x 1 a y az, то S n = 1/3 (S 1 + S 2 + S 3 ). 3 Коэффициент трехосности для разных видов напряженного состояния может меняться от 1 до +1. Чем больше, тем труднее происходит пласти- 22

23 ческая деформация и, следовательно, в меньшей степени проявляется деформационная способность материала. Величины и используются для сравнительной оценки жесткости при выборе метода испытаний различных материалов. Такая оценка может потребоваться при выборе метода испытаний того или иного материала. Например, для оценки свойств малопластичных материалов используются испытания с большим коэффициентом мягкости (малым β) 2.4 ГОСТ Р НА МЕТОДИКУ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ И РАСЧЕТ СВОЙСТВ Большинство методик проведения распространенных механических испытаний и расчеты основных свойств стандартизированы в государственном масштабе (ГОСТ). В ГОСТах унифицированы форма и размеры образцов, качество их изготовления, основные методические приемы испытания, а также требования к точности замера напряжений, деформаций, температуры и т.д. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Для чего используют тензор напряжений? 2. Какие напряжения называют главными? 3. Для чего используют тензор деформации? 4. Влияет ли схема напряженного состояния на механические свойства материала? 5. Какие напряжения способствуют проявлению пластичности? 6. Как рассчитывают коэффициент мягкости? 7. Какой коэффициент характеризует жесткость схемы напряженного состояния? 8. Как рассчитывают коэффициент трехосности? 9. В каких пределах может находиться коэффициент трехосности? 10. Какие величины используют для сравнительной оценки жесткости различных испытаний? РАЗДЕЛ 1 УПРУГИЕ СВОЙСТВА И НЕПОЛНАЯ УПРУГОСТЬ МЕТАЛЛОВ ЛЕКЦИЯ 3 УПРУГИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ПЛАН 3.1 Закон Гука и константы упругих свойств. Механизм упругой деформации 3.2 Физический смысл модулей упругости и методы их определения 3.3 Влияние температуры, состава и структуры на модули упругости 23

24 3.1 ЗАКОН ГУКА И КОНСТАНТЫ УПРУГИХ СВОЙСТВ В процессе механических испытаний образец может подвергаться упругой и пластической деформации с последующим разрушением. При этом стадию упругой деформации проходят при всех без исключения видах механических испытаний. Поведение металлов при упругой деформации описывается законом Гука. Согласно закону Гука упругая деформация линейно связана с напряжением. Коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию, характеризует модуль упругости. На рис. 3.1 показаны начальные (упругие) участки кривых напряжение деформация при одноосном растяжении, кручении (сдвиге) и гидростатическом сжатии. Наклон этих кривых, т.е. коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию, характеризует модуль упругости (формулы ): Е=S/e (3.1) G=t/g (3.2) K=P/ (3.3) S 2 t P 1 S t tg = Е β tgβ= G e g e g Р γ tgγ= К а б в Рис. 3.1 Упругие участки кривых напряжение деформация при одноосном растяжении (а), кручении (б), гидростатическом сжатии (в) Модуль Е, определяемый при растяжении, называется модулем Юнга (модуль нормальной упругости) (рис. 3.1, а); модуль G (рис. 3.1, б) модулем сдвига (касательной упругости); модуль К (рис. 3.1, в) модуль объемной упругости (Р гидростатическое давление, - относительное уменьшение объема). Так е, g и - безразмерные величины, то Е, G и К имеют размерность напряжения. Модуль нормальной упругости не зависит от знака деформации, его величина при растяжении и при сжатии одинакова. Модули упругости определяют жесткость материала, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере возрастания упругой деформации. 24

25 Механизм упругой деформации состоит в обратимых смещениях атомов из положения равновесия в кристаллической решетке. Расстояние между атомами вдоль оси приложения нагрузки возрастает, а после снятия нагрузки межатомные силы возвращают атомы в исходное положение. Величина упругой деформации в металле не может быть большой, так как атомы в кристаллической решетке способны упруго смещаться лишь на небольшую долю межатомного расстояния. 3.2 ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Физический смысл модулей упругости Е, G и К состоит в том, что они характеризуют сопротивляемость материала упругой деформации: чем больше модуль упругости, тем меньше деформация при заданной нагрузке. Модули упругости возрастают с увеличением сил межатомной связи, препятствующих смещениям атомов из положения равновесия. Если сравнивать два металла, например с разными Е (рис. 3.1, прямые 1 и 2), то для одинакового смещения атомов при большем значении Е потребуется большее напряжение (прямая 2). В кристалле разные кристаллографические направления различаются межатомными расстояниями, и модули упругости зависят от направления, т.е. в отношении упругих характеристик кристалл анизотропен. Чем меньше это расстояние, тем больше в данном направлении должен быть модуль упругости. В поликристаллическом металле с хаотичной ориентировкой кристаллов, «сильные» направления одних кристаллов совпадают со «слабыми» других, и упругие константы статистически усредняются по всем направлениям: в макро масштабе такой поликристалл изотропен. Например, у монокристаллов - железа Е max = 290 ГПа (направление 111 ) и Е min = 132 ГПа (направление 100 ), а у поликристаллического железа в любом направлении Е = 210 ГПа. Модули упругости структурно малочувствительные свойства. Они практически не зависят от размера зерна, дисперсности второй фазы и плотности дислокаций. Жесткость конструкции тем выше, чем больше модуль упругости. Модуль упругости определяется в первую очередь металлом основой сплава. При необходимости существенно увеличить жесткость конструкции следует переходить к сплавам с более высоким модулем упругости, например, от алюминиевых сплавов к титановым или сталям. Модули Юнга сплава на основе алюминия 70, титана 110 и стали 220 ГПа. Выражения, характеризующие модули упругости (рис. 3.1.), определяют связь между напряжениями и деформациями в одном и том же направлении. Однако деформация может не совпадать по направлению с напряжением. При одноосном растяжении стержня (рис. 3.2) происходит не только увеличение его длины (изменение размера вдоль оси Х), но и уменьшение диаметра (сжа- 25

26 тие вдоль двух других осей). Таким образом, одноосное напряженное состояние приводит к возникновению трехосной деформации. Отношение изменения размеров в поперечном направлении к изменению их в продольном направлении называется коэффициентом Пуассона (формула 3.4): Рис Изменение размеров при одноосном растяжении стержня ( r (3.4) ( l 1 r ) / r l ) / l 0 0 r / r l / l 0 Коэффициент Пуассона ν четвертая важнейшая константа упругих свойств после модулей упругости. Эти четыре константы связаны между собой: Е = 2G (1+ν); E = 3К (1-2 ν). Зная две из них можно рассчитать остальные. Закон Гука в своей обобщенной форме устанавливает линейную зависимость между напряжениями и деформациями в любых направлениях, т.е. между каждым компонентом тензора напряжений и каждым компонентом тензора деформации. Упругие свойства называют константами потому, что они не зависят от метода определения и являются постоянными для данного материала и определенных внешних условий. Упругая деформация развивается с очень большой скоростью, соответствующей скорости распространения звука в данном материале. Например, для стали эта скорость составляет ~5000, для меди 3670, для свинца 1320 м/с, что значительно превышает скорости деформирования даже при динамических испытаниях. Поэтому величина упругих констант не должна зависеть от скорости нагружения, и могут определяться по результатам любых испытаний. Некоторые свойства могут быть определены с помощью стандартных статических испытаний. Так по результатам на одноосное растяжение оценивают модуль Юнга Е, на кручение модуль сдвига G. Чаще модули упругости измеряют с помощью специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью, а коэффициент Пуассона ν находят по результатам рентгеноструктурного анализа. 3.3 ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ, СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА МОДУЛИ УПРУГОСТИ Константы упругости относятся к категории стабильных свойств, относительно мало меняющихся под влиянием различных факторов. С повышением температуры от 0 К до температуры плавления модули упругости чистых металлов и большинства сплавов снижаются в 2-2,5 раза. 26

27 Поскольку модули упругости связаны с величиной сил межатомного взаимодействия, а последние зависят от расстояния между атомами в кристаллической решетке, постоянные упругости зависят от температуры. Температурная зависимость модулей очень слабая; примеры изменения модуля нормальной упругости некоторых чистых металлов с температурой приведены на рис Видно, что значения модуля уменьшаются с увеличением температуры, причем зависимость Е(Т) близка к линейной. В среднем, уменьшение модуля при повышении температуры на С составляет 2 4 %. Однако, необходимо отметить, что изменение температуры может также и косвенно влиять на значения модуля, когда Рис. 3.3 Влияние температуры на модуль нормальной упругости различных металлов, [1] при этом происходят те или иные структурные изменения в материале: полиморфные (в чистых металлах) или фазовые (в сплавах) превращения, рекристаллизация и др. Эти изменения модуля упругости, могут быть весьма существенными и значительно превосходить собственно температурное изменение. На рис. 3.3, например, легко заметить скачок модуля нормальной упругости при превращении -железа в γ-железо, причем значение модуля увеличивается при повышении температуры (в районе 910 С). Наклеп (холодная пластическая деформация) не оказывает существенного влияния на упругие модули. Некоторое уменьшение модулей при наклепе (обычно не превышающее 1 %) связано с созданием искажений в кристаллической решетке металла или сплава. Однако этим изменения в структуре материала при пластической деформации не ограничиваются. Наклеп ведет к образованию преимущественных ориентировок текстур, которые нарушают изотропность материала и могут вызвать существенные изменения величины модулей. Рекристаллизация при нагреве после деформации также связана с образованием определенных текстур и также заметно изменяет модули. Изменения модулей упругости, связанные с образованием или разрушением преимущественных ориентировок, могут достигать десятков процентов, причем значения модулей поликристаллических материалов при наличии текстур зависят от направления, в котором измеряется модуль. Влияние легирования на постоянные упругости, как и влияние температуры, может быть связано с изменениями межатомного расстояния в кристаллической решетке и сил межатомного взаимодействия. Как показывают рентгенографические исследования, параметр решетки растворителя изменяется почти линейно с концентрацией легирующего элемента. Зависимость модуля 27

28 упругости от содержания легирующего элемента в сплаве также близка к линейной. На рис. 3.4 приведены концентрационные зависимости модуля нормальной упругости некоторых сплавов на основе меди, алюминия, золота. Видно, что легирование может и увеличивать, и уменьшать модуль. Направление влияния легирования на величину модуля зависит от взаимного соотношения между силами связи атомов растворенного элемента и растворителя, с одной стороны, и силами межатомного взаимодействия в решетке растворителя, с другой. Если величина первых больше, то легирование приводит к повышению модулей упругости. Кроме изменения сил межатомного взаимодействия в решетке основного компонента, при легировании могут происходить определенные структурные Рис. 3.4 Влияние легирования на модуль нормальной упругости алюминия, золота, меди, [1] изменения, которые также заметно влияют на величину постоянных упругости. Например, если в результате легирования сверх известного предела образуется вторая фаза, то значения модуля дополнительно изменяются по сравнению с таковыми для однофазного твердого раствора. Если вторая фаза имеет более высокий модуль упругости, чем основа, то ее присутствие приводит к общему увеличению модуля гетерофазного сплава. Примеры влияния легирующих элементов, образующих твердую вторую фазу в сплавах с алюминием, на модуль его нормальной упругости приведены на рис Рис. 3.5 Влияние легирующих элементов, образующих вторую фазу, на модуль нормальной упругости алюминия, [1] 28

29 У некоторых сплавов наблюдается аномальное температурное поведение модулей упругости, связанное с магнитными эффектами, влияние которых компенсирует нормальное падение модулей с увеличением температуры. В таких сплавах (так называемых элинварах) модуль упругости остается постоянным в определенном интервале температур. Так, элинвары, используемые в точном приборостроении (например, для часовых пружин) имеют постоянный модуль упругости в интервале ( 50) (+50) 0 С, которым практически исчерпывается диапазон климатических изменений температуры. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Какой закон описывает поведение металлов при упругой деформации? 2. Поясните закон Гука. 3. Что характеризуют модули упругости? 4. Как рассчитываются модули упругости? 5. Поясните механизм упругой деформации? 6. Каков физический смысл модулей упругости? 7. Что называют коэффициентом Пуассона? 8. Как связаны между собой константы упругости? 9. Какими методами можно определить константы упругости? 10. Какое влияние на константы упругости оказывает температура? 11. Какое влияние на константы упругости оказывает наклеп? 12. Какое влияние на константы упругости оказывает легирование? ЛЕКЦИЯ 4 НЕПОЛНАЯ УПРУГОСТЬ МЕТАЛЛОВ ПЛАН 4.1 Неполная упругость металлов 4.2 Эффект Баушингера 4.3 Упругое последействие 4.4 Внутреннее трение 4.1 НЕПОЛНАЯ УПРУГОСТЬ МЕТАЛЛОВ Несовершенства строения кристаллов играют большую роль в классе явлений, наблюдающихся при нагружении ниже предела текучести и часто объединяемых общим термином неупругость. Отклонения от чисто упругого поведения материалов, описываемого законом Гука, наблюдали еще в начале XIX в. при разработке первых электроизмерительных приборов. Впоследствии был открыт и изучен эффект Баушингера, заключающийся в том, что слабо наклепанный металл обладает пониженным сопротивлением малым пла- 29

30 S стическим деформациям при нагружении силой противоположного (по отношению к предварительной деформации) знака; были исследованы явления прямого и обратного упругого последействия, релаксации напряжений, гистерезисные потери энергии при циклическом нагружении и другие эффекты, связанные с проявлением внутреннего трения металлов. Термин «неупругая деформация» может иметь три значения. Во-первых, неупругая деформация возможна без участия дислокаций, т.е. она может иметь место при нагружении до напряжений ниже микроскопического предела упругости. Такую деформацию называют неупругой, потому что ее величина не соответствует закону Гука. Неупругая деформация, величина которой равна длине стрелок на рис. 4.1, возникает не мгновенно, а в течение определенного времени. В этом смысле неупругая деформация обладает признаками пластической, так как, например, в первый момент после разгрузки, размеры тела отличаются от исходных. Однако она отличается от пластической тем, что это различие размеров постепенно исчезает, и, в конечном счете, остаточной деформации не наблюдается. Такую деформацию правильнее было бы называть «квазинеупругой». Во-вторых, неупругая деформация может быть обусловлена механически обратимым движением дислокаций. Например, приведенные в движение дислокации при напряжениях ниже макроскопического предела упругости могут не выйти на поверхность кристалла, а оставаться внутри его у каких-либо преград. При разгрузке силы внутреннего сопротивления, вызвавшие остановку дислокаций, могут вернуть их в исходное положение, и остаточной деформации не будет. Однако любое перемещение дислокаций вызывает рассеяние энергии, и в энергетическом смысле процесс не будет обратимым. В этом случае неупругая деформация по механизму представляет собой обратимую пластическую деформацию. И, наконец, при более высоких напряжениях перемещение дислокаций не будет обратимым, т.е. при разгрузке дислокации не возвращаются в исходные положения. Тогда появляется измеримая остаточная деформация, и петля гистерезиса даже через неограниченно большое время не замкнется в точке =0, =0. В этом случае неупругая деформация аналогичная пластической и по механизму, и по формальному признаку появлению после Рис. 4.1 Образование петли гистерезиса в результате неупругих явлений e разгрузки остаточного изменения размеров. Следует иметь в виду, что в реальных условиях нагружения различные источники проявления неупругости могут действовать одновременно. При напряжениях выше макроскопи- 30

31 ческого предела упругости «квазинеупругой» деформацией пренебрегают изза ее малости в сравнении с полной неупругой деформацией. 4.2 ЭФФЕКТ БАУШИНГЕРА Одним из известных проявлений неполной упругости металлов является эффект Баушингера. Он заключается в том, что при повторном нагружении пластически слабодеформированного образца в обратном направлении его сопротивление малым пластическим деформациям снижается. Это снижение может быть достаточно заметным (у некоторых сталей и титановых сплавов оно может достигать %). Допустим мы растянули образец на 1 2 % (до точки а на рис. 4.2). Теперь снимем нагрузку и будем подвергать его сжатию. Кривая напряжение деформация (о'ес) будет лежать ниже соответствующей кривой (о' b), которую мы получили бы при повторном растяжении. Если точка b соответствует здесь началу пластической деформации, то отрезок bс=δ Б представляет так называемую баушингеровскую деформацию, которая является одной из основных количественных характеристик эффекта Баушингера. Процесс, определяющий этот эффект, состоит в обратном движении дислокаций, порожденных различными источниками при первоначальном растяжении. На начальных стадиях деформации постепенно растущее число генерируемых дислокационных петель движется относительно легко и на значительные расстояния вплоть до остановки у каких-либо барьеров. Возникающая дислокационная структура достаточно стабильна и мало меняется при разгрузке. Поэтому при повторном растяжении сопротивление деформированию либо несколько возрастает, либо практически не меняется по сравнению с первоначальным. При изменении же знака напряжения дислокации вынуждены двигаться обратно по направлению к источникам. В результате перемещение дислокаций начинается при более низких напряжениях и появляется дополнительная баушингеровская деформация. После значительной предварительной пластической деформации перераспределение дислокаций при обратном нагружении затрудняется и баушингеровская деформация приближается к нулю. Особенно большое практическое значение имеет эффект Баушингера при эксплуатации и испытаниях в условиях циклического нагружения. ζ 0 0 / b а е δ Б Повторное растяжение c Сжатие после разгрузки Рис. 4.2 Схема эффекта Баушингера δ,( ε) 31

32 4.3 УПРУГОЕ ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ К важным проявлениям неполной упругости металлов относится упругое последействие. Оно свидетельствует о том, что не вся обратимая деформация металла является чисто упругой. Возьмем образец и создадим в нем напряжение в пределах упругого участка кривой напряжение деформация. После разгрузки такой образец будет иметь те же размеры, что и до нагружения. Проследим, как будет изменяться его удлинение во времени под действием приложенного напряжения и после разгрузки. Соответствующая диаграмма представлена на рис Образец деформируется чисто упруго, т. е. с очень большой скоростью лишь на величину ОС, а затем удлиняется медленнее, по закону, близкому к параболическому. После разгрузки в точке К происходит очень быстрое снятие чисто упругой деформации (КМ ОС), а затем относительно медленное остальной деформации. В итоге, δ = 0 (в точке N), образец имеет исходные размеры, но ясно, что далеко не вся обратимая деформация является чисто упругой. Механизм упругого последействия может быть связан с перемещением точечных дефектов, например в металлах с ОЦК решеткой атомов примесей внедрения. До нагружения эти атомы располагаются в междоузлиях, например на середине ребер кубической решетки, статистически равномерно (рис. 4.4 а). Под действием напряжения происходит постепенное перераспределение примесных атомов. Они стремятся занять междоузлия на ребрах вдоль оси нагружения (рис. 4.4, б), где вызывают наименьшие искажения решетки. δ K M разгрузка C нагружение N 0 Рис. 4.3 Схема упругого последействия В результате каждая элементарная ячейка и весь образец удлиняются вдоль направления действия нагрузки. Причем происходит это не мгновенно. 32

33 Поскольку переход примесных атомов в новое положение требует диффузионных перескоков, он продолжается достаточно длительное время. После разгрузки происходит обратное перераспределение примесных атомов, и образец принимает исходные размеры (рис. 4.3, участок МN). Более общей причиной упругого последействия считается структурная и химическая неоднородность технических металлов и сплавов. При напряжениях значительно ниже тех, которые вызывают макроскопическую пластическую деформацию металлического образца, в отдельных его зернах начинается локальная (микропластическая) деформация, связанная с перемещением дислокаций. Упругое последействие может в ряде случаев проявляться на практике. Например, из-за него после деформационной правки или после сварки может возникать поводка изделий. Упругое последействие вызывает нежелательное увеличение деформации пружин и мембран, работающих под нагрузкой в точных приборах. Скорость упругого последействия, а также его величина зависят от состава, структуры материала и условий его испытания. Увеличение гетерогенности структуры, неоднородность пластической деформации, облегчение ее под воздействием различных факторов усиливают эффект упругого последействия. Закалка стали и ее пластическая деформация усиливают склонность к упругому последействию из-за увеличения неоднородности структуры. Таким образом, в металлах еще до начала макропластической деформации (на упругом участке кривой напряжение деформация) возможны неупругие явления, такие, как движение дислокаций, точечных дефектов, перемещение атомов в области границ зерен и т.д. Эти явления, сопровождающиеся местными пластическими деформациями, наблюдаются при низких напряжениях и имеют важное практическое значение. 4.4 ВНУТРЕННЕЕ ТРЕНИЕ Неупругие эффекты служат причинами внутреннего трения, характеризующего необратимые потери энергии внутри металла при механических колебаниях. Линии диаграммы напряжение - деформация при нагрузке и разгрузке из-за неполной упругости металлов не совпадают (рис. 4.1), а образуют петлю гистерезиса. Ее площадь и характеризует энергию, рассеянную за один цикл нагружения. а Рис. 4.4 Перераспределение атомов примеси внедрения в ОЦК металла под действием напряжения до (а) и после нагрузки (б) б 33

34 Знание величины внутреннего трения необходимо для грамотного выбора материала, работающего в определенных условиях. Способность материалов к рассеиванию энергии в процессе нагружения в упругой области, т. е. при отсутствии необратимой пластической деформации, имеет важное практическое значение, поскольку большинство деталей машин и конструкций работает при напряжениях, не превышающих предела упругости. В ряде случаев требуется применение материалов, обладающих повышенной демпфирующей способностью свойством гасить колебания, т. е. материалов с высоким внутренним трением. Это свойство металлов и сплавов используется в изделиях, которые по своему назначению призваны поглощать энергию колебаний в пружинах, рессорах и других амортизаторах, особенно в тех случаях, когда невозможно повысить их демпфирующую способность путем изменения конструкции (т. е. изменением внешних условий). Такие материалы обладают повышенным сопротивлением усталостному разрушению при возникновении резонансных колебаний в процессе эксплуатации. В то же время в упругих элементах и других деталях измерительных приборов рассеяние энергии при упругой деформации крайне нежелательно, так как это приводит к увеличению инерционности и снижению точности измерительной аппаратуры. В этом случае требуется применение материалов с минимальным упругим последействием и малым внутренним трением. Чистые металлы располагаются в следующий ряд по мере убывания демпфирующей способности: РЬ, Сd, Мg, Sn, А1, Мо, Сu, Тi. В сплавах большая способность гасить колебания обычно обусловлена сильной структурной неоднородностью, например в сером чугуне из-за наличия графитных включений. Не меньший интерес вызывает внутреннее трение как метод исследования тонкой структуры металлов и сплавов. Особенно ценную информацию этот метод дает о концентрации и подвижности точечных дефектов, дислокационной структуре, кинетике начальных стадий старения, в том числе деформационного и т. д. Измерения внутреннего трения дают ценную информацию о структуре металлов, поскольку рассеяние энергии колебаний связано с внутренней перестройкой кристалла под действием напряжений. Известны три типа подобной перестройки тепловая, магнитная и атомная. Изучение рассеяния энергии, связанного с действием того или иного механизма поглощения, позволяет получить сведения о количестве, характере распределения, подвижности и других свойствах разнообразных дефектов строения, определяющих поведение материала при больших нагрузках и, следовательно, его механические свойства. Для экспериментальной оценки величины внутреннего трения необходимо знать связь между напряжением и деформацией при нагружении и разгрузке (рис. 4.1). На практике обычно используют динамические методы с периодическим изменением нагрузки, например по синусоидальному закону. 34

35 Такому изменению нагрузки будет соответствовать и периодическое изменение деформации, но из-за явления неупругости деформация неизбежно будет отставать от напряжения по фазе на какой-то угол θ. Величина tgθ - одна из характеристик рассеяния энергии колебаний, т. е. внутреннего трения. Другую характеристику можно получить, оценив площадь петли, которая пропорциональна величине потерь Δ W (энергии колебаний за один цикл. За меру внутреннего трения принимают величину ΔW/2πW, где W полная энергия деформации. Еще одна из характеристик внутреннего трения логарифмический декремент затухания амплитуды колебаний γ. Он равен натуральному логарифму отношения предыдущего максимального отклонения колеблющегося образца к последующему. По виду зависимости между напряжением и неупругой деформацией, а также по кинетике изменения последней явления внутреннего рассеяния энергии разделяют на три группы: релаксационное, гистерезисное и резонансное внутреннее трение. Различия между этими видами внутреннего трения проявляются в характере зависимости величины рассеянной энергии от частоты и амплитуды колебаний, а также от температуры проведения экспериментов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Какие проявления неполной упругости металлов вы знаете? 2. В чем заключается эффект Баушингера? 3. В результате чего появляется дополнительная баушингеровская деформация? 4. О чем свидетельствует упругое последействие? 5. С чем связан механизм упругого последействия? 6. Где на практике проявляется упругое последействие? 7. От чего зависит скорость и величина упругого последействия? 8. Что служит причинами внутреннего трения? 9. В каких случаях используют материалы с высоким внутренним трением? 10. В каких случаях используют материалы с низким внутренним трением? 11. Какие существуют группы внутреннего трения? 35

36 РАЗДЕЛ 2 ОСНОВЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ЛЕКЦИЯ 5 ОСНОВЫ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПЛАН 5.1 Пластическая деформация скольжением и двойникованием 5.2 Связь величины деформации с числом дислокаций и длиной их свободного пробега 5.3 Системы скольжения в металлах с ГЦК, ГП и ОЦК решетками 5.4 Особенности пластической деформации поликристаллов. 5.1 ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ СКОЛЬЖЕНИЕМ И ДВОЙНИКОВАНИЕМ Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В кристаллах эти смещения атомов в большинстве случаев происходят путем движения дислокаций. Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца путем либо скольжения, либо двойникования. Конечным итогом такого движения является сдвиг одних отдельных частей кристалла относительно других (рис. 5.1 а) или сдвиг и поворот атомных рядов в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению сдвига (рис. 5.1 б). Эти два способа формоизменения рассматривают как механизм пластической деформации, хотя и при скольжении, и при двойниковании механизмом деформации остается перемещение дислокаций. Микро- и макрокартины пластической деформации скольжением и двойникованием существенно различаются и их анализируют отдельно. α α1 > α двойники а Рис. 5.1 Схемы пластической деформации скольжением (а) и двойникованием (б) б 36

37 В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем скольжения, так как при повышенных температурах (более 0,5Т пл ) сказывается влияние диффузионных процессов и существенный вклад в общую пластическую деформацию может оказывать межзеренный (зернограничный) сдвиг. 5.2 СВЯЗЬ ВЕЛИЧИНЫ ДЕФОРМАЦИИ С ЧИСЛОМ ДИСЛОКАЦИЙ И ДЛИНОЙ ИХ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА Предположим, что деформация скольжением осуществляется только за счет движения краевых дислокаций. Рассмотрим образец кристалл (рис. 5.2), в котором краевая дислокация АВ при своем скольжении на длину l в плоскости CDAB произвела частичный сдвиг верхней половины кристалла относительно нижней. Величина относительного сдвига g составит g=x/l 2, где х среднее относительное смещение частей кристалла, выраженное в долях от вектора Бюргерса b: x=(s/s 0 )b. Здесь S =ll 3 площадь участка плоскости скольжения, прочерченного дислокацией; S 0= L 1 L 3 вся возможная площадь плоскости скольжения в пределах образца. Следовательно, x=(l /L 1 )b, a g= (l /L 1 L 2 )b. Если в рассматриваемой плоскости скольжения путь l пройдут N аналогичных дислокаций, то g=(ln/l 1 L 2 )b. Умножим числитель и знаменатель на L 3, получим g= (ll 3 N/L 1 L 2 L 3 )b, где L 3 N суммарная длина всех дислокаций, L 1 L 2 L 3 объем кристалла, а отношение этих величин есть плотность дислокаций ρ. Теперь можно дать конечную формулу, связывающую величину макроскопической деформации сдвига с плотностью дислокаций, длиной их пробега и вектором Бюргерса (формула 5.1): g = ρbl (5.1) Аналогичное выражение получается и при анализе перемещения винтовых и смешанных дислокаций. В реальных металлах и сплавах картина пластической деформации сложна. Она определяется структурой, составом материала и условиями его деформации. L 2 A L 3 b l Рис. 5.2 Схема к выводу уравнения связи сдвиговой деформации с длиной пробега дислокации B D L 1 С 37

38 5.3 СИСТЕМЫ СКОЛЬЖЕНИЯ В МЕТАЛЛАХ С ГЦК, ГП И ОЦК РЕШЕТКАМИ Пластическую деформацию изучают в основном двумя методами: 1. Микроскопическим анализом полированной поверхности образцов, на которой в результате деформации появляются особые «линии» и «полосы скольжения»; 2. Методом дифракционной электронной микроскопии тонких фольг, вырезанных из деформированных образцов. Линии скольжения это ступеньки, образующиеся на поверхности в результате выхода дислокаций. С помощью метода линий скольжения было установлено, что скольжение и сдвиги в кристаллах при низкотемпературной деформации идут вдоль определенных для каждого типа решетки плоскостей и направлений. Совокупность плоскости и направления скольжения называют системой скольжения. Направления и плоскости преимущественного скольжения являются наиболее плотноупакованными в каждой решетке. Плоскости с максимальной плотностью отличаются наибольшим межплоскостным расстоянием, поэтому сдвиг вдоль них идет особенно легко. В ГЦК решетке в первую очередь скольжение идет по плоскостям 111 вдоль направлений 110. В ГП металлах с отношением периодов решетки с/а 1,633 скольжение преимущественно наблюдается в базисных плоскостях Если же отношение с/а заметно меньше идеального, то облегчается скольжение по призматическим 1100 и пирамидальным 0111 плоскостям. В металлах с ОЦК решеткой при низких температурах чаще всего работают системы При установлении отдельной системы скольжения, следует помнить условие принадлежности направления данной плоскости (формула 5.2) hu+kv+lw=0 (5.2) где (hkl) индексы плоскости, [uvw] индексы направления. Если условие соблюдается, то данная система скольжения возможна. Рассмотрим картину пластической деформации скольжением при одноосном растяжении металлов в области температур ниже 0,2 0,25 Т пл, (до начала интенсивного развития термического возврата в процессе деформации), для монокристалла, имеющего ГЦК решетку, благоприятно ориентированного для одноосного скольжения (т. е. скольжения дислокаций в одной системе). На начальной стадии пластическая деформация скольжением будет осуществляться в основном движением дислокаций в одной системе. Эта стадия деформации называется стадией легкого скольжения. На поверхности 38

39 образца в это время фиксируются тонкие, длинные линии скольжения (до 1 мм), параллельные одна другой (рис. 5.3 а) следы выхода дислокаций, скользящих в одной плоскости и одном направлении. Высота ступеньки 5 10 нм. По мере увеличения степени деформации на этой стадии число линий скольжения растет, а расстояние между ними уменьшается до десятков нанометров. Плотность дислокаций в образце возрастает мало (на один, максимум два порядка). а б Рис. 5.3 Поверхностные линии и полосы скольжения на разных стадиях пластической деформации, [1] Дальнейшая деформация начинает вызывать искривленные линий скольжения, на поверхности появляются характерные «полосы сброса», в которых происходит это искривление (рис. 5.3 б). Считается, что образование полос сброса обусловлено началом интенсивного скольжения в других системах и поэтому означает конец стадии легкого скольжения. После начинается стадия множественного скольжения движение дислокаций в двух и более системах. По мере дальнейшей деформации растет число встреч и пересечений дислокаций (барьеров), препятствующих их движению. Дислокационная структура резко усложняется, плотность дислокаций увеличивается по сравнению с исходным состоянием на 4-5 порядков, достигая см -2 (рис. 5.4). При дальнейшем увеличении степени деформации дислокационная картина качественно не меняется. Структура на поверхности претерпевает изменения: наблюдается фрагментация полос скольжения, появляются волнистые линии и их пересечения, все это является результатом поперечного скольжения винтовых дислокаций. Проходит последняя стадия интенсивно развитого поперечного скольжение. В произвольно ориентированном ГЦК монокристалле стадия легкого скольжения сокращается или вообще отсутствует. В отличие от ГЦК решетки в ГП решетке всего одна плоскость преимущественного скольжения {0001}. Плотность упаковки атомов в этой плоскости значительно больше, чем в любых других, поэтому скольжение в других плоскостях затруднено и идет только под действием высоких напряжений на поздних стадиях деформации. Из-за трудности перемещения дисло- 39

40 каций во внебазисных плоскостях стадии множественного и интенсивного скольжения в ГП металлах часто осложняются двойникованием. а б Рис. 5.4 Типы дислокационных структур, формирующихся в процессе пластической деформации: а на стадии легкого скольжения, б на стадии множественного скольжения, [1] Произвольно ориентированные ГП монокристаллы деформируются аналогичным образом, только стадия легкого скольжения укорочена. Для ОЦК решетки характерно наличие наибольшего числа систем скольжения. Поэтому даже на ранних стадиях пластической деформации при любой ориентировке ОЦК кристаллов трудно реализовать скольжение в одной системе, из-за чего стадия легкого скольжения короче или совсем отсутствует. Второй особенностью является относительная легкость поперечного скольжения, которое происходит уже после незначительной деформации. 5.4 ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ Пластическая деформация поликристаллических образцов металлов с ГЦК решеткой имеет ряд важных особенностей, но основные элементы картины деформации сохраняются. Поликристалл отличается от монокристалла наличием в его структуре сетки высокоугловых границ. Если пренебречь другими возможными различиями (концентрацией примесей, количеством макродефектов, субструктурой), то поликристалл можно рассматривать как совокупность произвольно ориентированных монокристаллов (зерен), отделенных один от другого высокоугловыми границами. Из-за разной ориентации зерен деформация в них начинается неодновременно и развивается неоднородно. В первую очередь скольжение идет в благоприятно ориентированных зернах, внутри которых имеется система скольжения, где действуют максимальные касательные напряжения. Макроскопическое удлинение образца за счет легкого скольжения практически невозможно. Благоприятно ориентированных зерен обычно относительно мало, и они разобщены. Для того чтобы 40

41 деформировался весь образец, необходимо участие в деформации большинства зерен. Следовательно, нужно обеспечить передачу деформации от одних зерен, относительно благоприятно ориентированных, к другим, ориентированным относительно внешней силы менее благоприятно. Дислокации внутри благоприятно ориентированных зерен на начальных стадиях деформации скользят без серьезных помех на большие расстояния, и многие из них доходят до границ зерен. Последние, как известно, являются эффективным барьером для дислокаций, которые тормозятся здесь, образуя скопления (рис. 5.5). Вокруг скоплений возникают поля упругих напряжений, которые действуют на границы и прилегающие к ним участки соседних зерен в дополнение к приложенным извне напряжениям. В этих условиях могут начать работать дислокационные источники (М, Рис. 5.5) в приграничных областях, несмотря на относительно неблагоприятную ориентировку систем скольжения генерируемых ими дислокаций. Так происходит эстафетная передача деформации в поликристалле. Прогрессирующее образование большого числа скоплений у границ возможно лишь на начальных стадиях деформации. После того как деформация охватит все кристаллиты, внутри каждого из них можно наблюдать уже известные картины распределения линий скольжения и дислокаций. Развитие текстуры деформации в поликристаллах приводит к изменению ориентировки внутри каждого зерна и вытягиванию всех их вдоль направления растяжения. При этом направление преимущественного скольжения (в ГЦК решетке <110>) во всех зернах располагается примерно параллельно оси растяжения. Пластическая деформация поликристаллов ГП металлов протекает качественно так же, как и металлов с ГЦК решеткой, проявляя, специфические особенности, отмеченные при анализе картины деформации в монокристалле. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ Рис. 5.5 Схема передачи деформации через границу зерна 1. Результатом каких смещений атомов является пластическая деформация? 2. Каким путем может идти макропластическая деформация образца? 3. Что представляет собой деформация скольжением? 4. Что представляет собой деформация двойникованием? 5. Как зависит величина макропластической деформации от количества движущихся дислокаций и длины пути их перемещений? 41

42 6. Запишите формулу, связывающую величину макроскопической деформации сдвига с плотностью дислокаций, длиной их пробега и вектором Бюргерса. 7. Что называют линиями скольжения? 8. Что называют системой скольжения? 9. Запишите условие принадлежности направления плоскости. 10. Какие существуют стадии скольжения? 11. Как меняется структура при различных стадиях скольжения? 12. Назовите особенности скольжения монокристаллов различных типов решеток? 13. Назовите особенности скольжения поликристаллов? ЛЕКЦИЯ 6 ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЛАН 6.1 Механизм деформации двойникованием. Кристаллография двойникования. Свойства границ двойников. 6.2 Явление деформационного упрочнения. 6.3 Расчет приведенного напряжения сдвига. Ориентационный фактор Шмида. 6.4 Стадии деформационного упрочнения ГЦК монокристаллов. Особенности упрочнения монокристаллов с другими решетками. 6.5 Деформационное упрочнение поликристаллов 6.1 ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ МЕТАЛЛОВ ДВОЙНИКОВАНИЕМ Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение по тем или иным причинам затруднено. При двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой вдоль определенной плоскости и направления двойникования (рис. 6.1). Рис. 6.1 Кристаллографическая схема двойникования, [1] Рис. 6.2 Двойники деформации в цинке, [1] 42

43 Плоскость двойникования это обычно кристаллографическая плоскость с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии двойникового образования относительно исходного кристалла. Наиболее часто двойникование наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформации, особенно в металлах с ГП и ОЦК решетками. Поскольку напряжение, необходимое для распространения двойника, много больше, чем для скольжения, ясно, что двойникование возможно в таких конкретных условиях, когда приведенное напряжение сдвига оказывается высоким. Именно поэтому двойникование в ОЦК и ГЦК кристаллах, обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях деформирования, а в гексагональных плотноупакованных кристаллах в случае ориентации, неблагоприятных для базисного скольжения. Наиболее часто двойникование происходит в ГП металлах, где число систем скольжения минимально, особенно при отношении с/а=1,633. Часто началу двойникования в ГП металлах предшествует скольжение. Результирующее повышение плотности дислокаций создает концентрацию напряжений в микрообъемах, достаточную для зарождения двойников. При неблагоприятной ориентировке ГП кристалла для базисного скольжения его деформация начинается с двойникования, при этом ориентировка базисных плоскостей может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация скольжением. Двойникование в одной плоскости не может обеспечить значительной пластической деформации металла. Это объясняется тем, что смещение атомов в каждой плоскости двойникования происходит только один раз и на доли межатомного расстояния. С увеличением числа действующих плоскостей и направлений двойникования при переходе к ГП металлам с низким отношением с/а величина пластической деформации двойникованием растет. В результате двойникования по границе двойника неизбежно изменяется порядок укладки плотноупакованных атомных слоев. Однако к этому изменению необходимо добавить некоторое небольшое перераспределение атомов, которое приводит к тому, что двойниковый кристалл приобретает ту же структуру, что и исходный, и между ними устанавливаются правильные соотношения симметрии. Поскольку смещение по каждой плоскости происходит только один раз и на часть межатомного расстояния, двойникование не приводит к значительной остаточной деформации металла. Поэтому для кристаллов, в которых деформация осуществляется преимущественно двойникованием (например, висмут, сурьма), резко ограничена величина остаточной деформации и они считаются «хрупкими» материалами. Для кристаллов цинка, магния, кадмия двойникование не единственный способ деформации; прошедшее двойникование облегчает скольжение, деформация осуществляется обоими способами и достигает значительной величины. Это явление (исследованное, например, 43

44 при прокатке цинка) обусловлено тем, что двойникование создает новые ориентировки, которые облегчают скольжение. В результате это приводит к увеличению пластической деформации, предшествующей разрушению. При металлографическом исследовании (рис. 6.2) каждый двойник деформации выявляется в виде двух параллельных полос следов его пересечения с поверхностью излома, шлифа или фольги. Специфичным для двойников деформации является очень малая ширина полос и характерные сужения на концах. В поликристалле двойники никогда не переходят из одного зерна в другое. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут способствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь иную ориентировку. Скорость образования двойников обычно очень велика, и последовательно проанализировать этот процесс не удается. Считается, что двойник растет за счет перемещения особых двойникующих дислокаций. Картину пластической деформации двойникованием изучают фактически только на макроуровне, наблюдая уже «готовые» двойники, число которых растет по мере увеличения степени деформации. На боковых границах двойников с окружающей матрицей всегда образуется дефект упаковки. Границы эти являются когерентными, т.е. в расположении атомов по обе стороны имеется закономерная связь. Когерентные границы обладают относительно низкой энергией и высокой устойчивостью. Торцевые границы двойника являются некогерентными. Кривые деформационного упрочнения при S пластической деформации двойникованием специфичны. Если деформация начинается путем скольжения, то будет происходить обычное деформационное упрочнение вплоть до точки а (рис. 6.3), по достижении которой образуется первый двойник. Вслед за ним e почти моментально возникает много других, и Рис. 6.3 Кривая деформационного упрочнения при пластической мация двойникованием характеризуется зуб- напряжение резко падает. Дальнейшая дефор- деформации двойникованием чатостью диаграммы деформации и слабым упрочнением, которое может усилиться, если увеличится вклад скольжения. 6.2 ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ Низкотемпературная пластическая деформация с самого ее начала и до момента разрушения сопровождается повышением сопротивления материала образца деформации по мере увеличения ее степени. Следовательно, для продолжения деформации требуется постоянное увеличение прилагаемого напряжения. Это явление называется деформационным упрочнением или наклепом. 44

45 Деформационное упрочнение обусловлено торможением дислокаций. Чем труднее перемещаться дислокациям в материале, чем больше коэффициент (модуль) деформационного упрочнения производная напряжения по деформации dt/dg характеризующий наклон кривой деформации. В процессе испытания этот коэффициент меняется, и его изменения в конечном итоге определяют геометрию диаграммы деформации. Для строгого анализа закономерностей деформационного упрочнения необходимо пользоваться диаграммами деформации в координатах истинное напряжение (S или t) деформация (e или g). Поскольку пластическая деформация скольжением в металлах осуществляется за счет движения дислокаций в определенных плоскостях под действием касательных напряжений, более правильно строить t g. На практике в этих координатах строят диаграммы растяжения монокристаллов, используемые в теоретических работах для выяснения принципиальных вопросов деформационного упрочнения. 6.3 РАСЧЕТ ПРИВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СДВИГА. ОРИЕНТАЦИОННЫЙ ФАКТОР ШМИДА Скольжение происходит под действием касательного напряжения, действующего в плоскости и в направлении, принадлежащих определенной системе скольжения. Приложенная растягивающая нагрузка в общем случае находится под произвольным углом к плоскости и направлению преимущественного скольжения (рис. 6.4). Составляющая приложенной к монокристаллу растягивающей силы Р в направлении скольжения равна Р cos, а площадь скольжения равна А/сos, где А - площадь поперечного сечения монокристалла, перпендикулярная оси растяжения. Отсюда так называемое приведенное напряжение сдвига, действующее в плоскости в направлении скольжения: P cos cos cos (6.1) Рис. 6.4 Схема к определению приведенного напряжения сдвига A / cos где - растягивающее напряжение, равное Р/А. кристалла и нормалью ON к плоскости - угол между осью растяжения моно- При заданном растягивающем напряжении ζ от внешней нагрузки вели- направлением скольжения ОХ скольжения; - угол между этой осью и чина приведенного напряжения сдвига η зависит от ориентации системы скольжения по отношению к растягивающей силе. Характеристикой этой ориентации является фактор Шмида cos cos. Если плоскость скольжения перпендикулярна оси растяжения, то = 90 и 45

46 = 0. Если же плоскость скольжения параллельна оси растяжения, то наоборот, = 0 и = 90. В обоих случаях фактор Шмида cos cos = 0 и = 0. Максимальное значение (0,5) фактор Шмида имеет в том случае, когда плоскость и направление скольжения расположены под углом 45 к оси растяжения, т.е. = = 45. Следовательно, при заданном растягивающем напряжении приведенное напряжение сдвига η максимально в плоскостях скольжения, расположенных под углом 45 к оси растяжения. Система скольжения в данном металле характеризуется величиной минимального касательного напряжения, которое необходимо для начала скольжения. Это критическое напряжение сдвига 0 не зависит от ориентации плоскости скольжения по отношению к приложенной нагрузке. Растягивающее напряжение 0, которое необходимо достичь для начала пластической деформации монокристалла, зависит от величины 0 и от ориентации плоскости и направления скольжения, т.е. от фактора Шмида: 0 = 0 cos cos При приложении нагрузки к монокристаллу сдвига начинаются в наиболее благоприятно ориентированных плоскостях скольжения (с максимальным фактором Шмида) и затем, по мере увеличения нагрузки, они охватывают все большее число систем скольжения. 6.4 СТАДИИ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ ГЦК МОНОКРИСТАЛЛОВ. ОСОБЕННОСТИ УПРОЧНЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛОВ С ДРУГИМИ РЕШЕТКАМИ На кривой деформационного упрочнения монокристалла металла с ГЦК решеткой, благоприятно ориентированного для одиночного (легкого) скольжения, выделяются три стадии (рис. 6.5). Начальный участок оа соответствует S, (t) k области столь малой упругой деформации, c что на реальных диаграммах 10-3 G он может совпадать с осью ординат. a b 10-4 G На стадии I с очень слабым деформационным упрочнением (участок ав) происходит легкое (или единичное) e, (g) скольжение дислокаций в одной системе скольжения с максимальным фактором Шмида. На этой стадии Рис. 6.5 Кривая деформационного упрочнения ГЦК монокристалла, благоприятно дислокации, не встречая препятствий, легко выходят на поверхность ориентированного для одиночного скольжения кристалла. На стадии II в действие вступают менее благоприятно ориентированные системы скольжения. Множественное скольжение в пересекаю- 46

47 щихся плоскостях приводит к образованию дислокационных барьеров, тормозящих скольжение дислокаций в своих плоскостях и, соответственно, к сильному деформационному упрочнению (большой наклон почти прямолинейного участка вс). На стадии III коэффициент деформационного упрочнения dt/dg с ростом степени деформации уменьшается, деформационное упрочнение затухает (кривая на участке с все больше отклоняется вниз от экстраполированной прямой). Это объясняется тем, что приведенные напряжения становятся достаточными, чтобы винтовые дислокации, оставленные у барьеров, смогли совершать поперечное скольжение и обходить барьеры. Уменьшение коэффициента деформационного упрочнения в результате развития поперечного скольжения дислокаций во время пластической деформации называется динамическим возвратом. Произвольно ориентированные монокристаллы металлов с ГЦК решеткой На рис. 6.6 сопоставляются кривые деформационного упрочнения благоприятно и произвольно ориентированных монокристаллов. Видно, что ориентировка монокристалла существенно сказывается на деформационных кривых. При произвольной ориентировке сокращается или совсем исчезает стадия легкого скольжения, увеличивается коэффициент упрочнения на I и II стадиях, растет уровень напряжений течения. На III стадии разница в коэффициентах упрочнения нивелируется, поскольку к концу стадии множественного скольжения возникает дислокационная структура, уже мало зависящая от исходной ориентировки кристалла. Монокристаллы металлов с ГП решеткой При благоприятной ориентировке таких монокристаллов стадия легкого скольжения в них простирается до очень больших степеней деформации часто более 100 % (рис. 6.7). Коэффициент деформационного упрочнения здесь того же порядка, что и в ГЦК металлах (10-4 G). II стадия, где идет множественное скольжение и (или) двойникование, также характеризуется близким к ГЦК металлам коэффициентом упрочнения. Разрушение ГП кристалла может произойти на II стадии. В некоторых случаях до разрушения фиксируется и стадия динамического возврата с убывающим по мере деформации коэффициентом упрочнения. t 2 Рис. 6.6 Кривые деформационного упрочнения ГЦК монокристаллов: 1 при благоприятной ориентировке; 2 при произвольной 1 g 47

48 , МПа 2 Рис. 6.7 Кривые деформационного упрочнения ГП монокристаллов: 1 при благоприятной ориентировке; 2 при произвольной 1 g, % При произвольной ориентировке ГП монокристаллов, в которых идет преимущественно базисное скольжение кривая деформационного упрочнения меняется качественно так же, как и при переходе от благоприятной к произвольной ориентировке монокристаллов с ГЦК решеткой (рис. 6.7). Но в гексагональных металлах ориентационная зависимость и напряжения течения, и всей кривой деформации гораздо сильнее, чем в ГЦК металлах. По мере уменьшения с/а небазисное скольжение облегчается. Например, у магния (с/а= 1,624) разница в критических напряжениях сдвига при разных системах скольжения уже значительно меньше. В результате у него облегчается переход к множественному скольжению и, следовательно, короче стадия легкого скольжения. В ГП металлах с отношением с/а, значительно меньшем идеального (например, в титане), скольжение уже на начальных этапах пластической деформации идет в нескольких системах вдоль пересекающихся плоскостей. Поэтому здесь стадия легкого скольжения может отсутствовать при любой ориентировке монокристалла. Монокристаллы металлов с ОЦК решеткой В соответствии с особенностями пластической деформации ОЦК металлов I и II стадии на кривой деформационного упрочнения монокристалла сокращаются. Большая часть кривой приходится на III стадию интенсивного поперечного скольжения. Соответственно средний коэффициент деформационного упрочнения очень чистых ОЦК металлов должен быть ниже, чем у других. 6.5 ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ В поликристаллах стадии легкого скольжения не наблюдается, так как уже с самого начала скользящие дислокации останавливаются границами зерен. Рост напряжения обуславливает развитие множественного скольжения по системам с разным фактором Шмида, образование дислокационных барьеров и поперечное скольжение, дислокаций. Таким образом, большая часть деформации поликристаллических металлов соответствует стадии III, наблюдаемой на ГЦК монокристаллах: во время деформации скольжением одновременно происходит деформационное упрочнение и динамический возврат. 48

49 Особенности кривых деформационного упрочнения поликристаллов связаны в первую очередь с наличием границ зерен и различной их ориентировкой. Коэффициент деформационного упрочнения и уровень напряжений течения у поликристалла выше, чем у монокристалла. Стадия легкого скольжения всегда отсутствует, и с самого начала пластической деформации происходит резкое упрочнение, связанное со скоплением дислокаций у границ. Наличие границ вызывает существенное увеличение деформационного упрочнения поликристаллов по сравнению с монокристаллами лишь на начальных стадиях пластической деформации. В этот период коэффициент упрочнения будет тем больше, чем мельче зерно в поликристалле. После незначительного удлинения кривые растяжения поликристаллов становятся практически параллельными кривым монокристаллов, когда в последних уже интенсивно идет множественное скольжение (рис. 6.8). Здесь вклад границ зерен выражается только в более высоком уровне напряжений течения при одинаковых деформациях, скорость же нарастания напряжений мало различается. Параллельность кривых наблюдается на той стадии деформационного упрочнения, где количество и плотность дислокаций уже достигли предельной величины. Таким образом, коэффициент деформационного упрочнения поликристаллов зависит от размера зерна только на начальных стадиях пластической деформации. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. В каких случаях идет двойникование? 2. Что происходит при двойниковании? 3. При каких температурах, скоростях деформации и кристаллических решетках двойникование происходит наиболее часто? 4. Как выглядит двойник при металлографическом исследовании? 5. Что образуется на боковых границах двойников с окружающей матрицей? 6. Какое явление называют деформационным упрочнением? 7. Чем обусловлено деформационное упрочнение? 8. Что характеризует наклон кривой деформации? 9. Как рассчитывается приведенное напряжение сдвига? 10. Что такое фактор Шмида? 11. Что называют критическим напряжением сдвига? 12. Какие стадии выделяют на кривой деформационного упрочнения? 13. Что называют динамическим возвратом? S 2 1 Рис. 6.8 Кривые деформационного упрочнения моно- и поликристаллического образца из одного металла e 49

50 14. Как влияет ориентировка на кривые деформационного упрочнения ГЦК монокристаллов? 15. Назовите особенности кривых деформационного упрочнения монокристаллов с ГП решеткой? 16. Назовите особенности кривых деформационного упрочнения монокристаллов с ОЦК решеткой? 17. Укажите особенности кривых деформационного упрочнения поликристаллов? ЛЕКЦИЯ 7 ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ ПЛАН 7.1 Теории деформационного упрочнения 7.2 Влияние энергии дефектов упаковки на пластическую деформацию и деформационное упрочнение 7.3 Влияние схемы напряженного состояния, температуры деформации на пластическую деформацию и деформационное упрочнение 7.4 Влияние примесей и легирования на пластическую деформацию и деформационное упрочнение. 7.1 ТЕОРИИ ДЕФОРМАЦИОННОГО УПРОЧНЕНИЯ Большинство теорий деформационного упрочнения, базируется на эффекте упругого взаимодействия между дислокациями. Эти теории, исходя из ряда упрощающих предпосылок, часто основанных на экспериментальных данных структурного анализа, позволяют получать уравнения связи напряжения с деформацией. Такие уравнения можно сопоставлять с экспериментальными кривыми, проверяя обоснованность используемых теорией положений. Одной из первых теорий упрочнения за счет полей дальнодействующих упругих напряжений, является теория, предложенная Тейлором. По данной теории зависимость напряжения от деформации имеет параболическую зависимость, что не согласуется с общим видом экспериментальной кривой растяжения благоприятно ориентированного кристалла. Такая зависимость соответствует только закону изменения напряжения от деформации только на третьей стадии. Некоторые теории объясняют деформационное упрочнение полями близкодействующих напряжений. Например, по Гилману основной причиной деформационного упрочнения является образование дислокационных диполей при движении винтовых или смешанных дислокаций с порогами. После отрыва диполя от скользящей дислокации он остается в плоскости скольжения и препятствует перемещению других дислокаций, скользящих вслед за той, от которой он оторвался. Чем больше степень деформации, тем больше 50

51 таких диполей и тем выше должно быть напряжение, необходимое для продолжения деформации. Другая теория упрочнения полями близкодействующих напряжений, предложенная Кульман-Вильсдорф, базируется на образовании дислокационных сплетений. Эта теория учитывает экспериментальный факт частого образования при деформации ячеистой дислокационной структуры. По Кульман- Вильсдорф на стадии легкого скольжения происходит постепенное заполнение кристалла дислокациями, которые распределяются неравномерно. К началу II стадии дислокации имеются уже во всех ранее свободных областях кристалла. Они образуют сплетения, внутри которых плотность дислокаций выше, чем в промежутках между ними. На стадии множественного скольжения плотность дислокаций продолжает расти, при этом расстояние между скоплениями уменьшается по мере деформации. Прогрессирующее упрочнение объясняется здесь уменьшением длины источников Франка Рида: с повышением плотности дислокаций расстояние между ними уменьшается и, следовательно, становятся короче отрезки дислокаций, которые могут изгибаться, генерируя новые петли. Напряжение, необходимое для начала работы источника, обратно пропорционально его длине. Таким образом, для продолжения деформации требуется непрерывное повышение внешнего напряжения, особенно на II стадии. Уменьшение коэффициента деформационного упрочнения на III стадии, как и в других теориях, объясняют интенсивным поперечным скольжением. К теориям упрочнения близкодействующими полями упругих напряжений примыкают теории, связывающие деформационное упрочнение с торможением дислокаций из-за образования на них порогов в результате взаимного пересечения. Как известно, дислокациям с порогами (ступеньками) скользить труднее, чем без порогов. Особенно это относится к винтовым дислокациям, пороги на которых имеют краевую ориентацию. При движении этих дислокаций образуются диполи, а также цепочки вакансий или межузельных атомов, которые затрудняют движение других дислокаций (теория Гилмана). Анализ причин торможения дислокаций в чистых монокристаллах показывает, что каждая из них может вносить свой вклад в наблюдаемое деформационное упрочнение. Существующие теории деформационного упрочнения исходят обычно лишь из какой-либо одной причины торможения. Кроме того, эти теории используют допущения, заметно упрощающие реальную сложную картину пластической деформации. Именно сложность, многообразие процессов, сопровождающих деформационное упрочнение, до сих пор не позволили создать общей теории упрочнения даже для металлов с одной решеткой. Рассмотренные теории позволяют сделать ряд важных общих выводов: 1) на стадии легкого скольжения малый коэффициент деформационного упрочнения есть результат движения дислокаций преимущественно в одной системе. При малой плотности исходных дислокаций количество барьеров, 51

52 величина полей упругих напряжений, число порогов на дислокациях и т.д. относительно малы и слабо увеличиваются по мере деформации 2) на стадии множественного скольжения резко возрастает плотность дислокаций, число их пересечений и, как результат, число барьеров, мощность скоплений и сплетений, число порогов, т. е. тех факторов, которые способствуют увеличению коэффициента деформационного упрочнения. 3) к моменту начала III стадии скольжение во всех системах затормаживается различными барьерами. Дальнейшая деформация осуществляется за счет обхода барьеров винтовыми дислокациями путем поперечного скольжения (при низких температурах). После начала этого процесса коэффициент упрочнения уменьшается, происходит динамический возврат. Ему способствуют также многочисленные процессы аннигиляции дислокаций из-за возрастания вероятности встреч разноименных дислокаций в одной плоскости. 7.2 ВЛИЯНИЕ ЭНЕРГИИ ДЕФЕКТОВ УПАКОВКИ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ Увеличение энергии дефектов упаковки затрудняет расщепление дислокаций, уменьшает ширину дефекта упаковки между частичными дислокациями, что в свою очередь облегчает поперечное скольжение винтовых дислокаций. Разница в легкости поперечного скольжения и определяет различия картин пластической деформации в металлах с разной энергией дефекта упаковки. Чем эта энергия больше, тем раньше (по уровню напряжений и величине деформаций) начнется интенсивное поперечное скольжение; дислокации легче обходят различные барьеры. В результате укорачиваются стадии легкого и множественного скольжения, пластическое течение в основном осуществляется в условиях интенсивно развитого поперечного скольжения, снижается коэффициент деформационного упрочнения на III стадии (рис. 7.1 а). Соответственно поведению монокристаллов на III стадии меняются кривые деформационного упрочнения поликристаллов (рис. 7.1 б). t/g T пл Cu 10 6 S/(ET пл ) Cu Al Al g e а б Рис. 7.1 Кривые деформационного упрочнения металлов с разной величиной энергии дефекта упаковки ( Сu Al ): а монокристаллы; б поликристаллы 52

53 Для получения сопоставимых данных, отражающих влияние особенностей движения по-разному расщепленных дислокаций, кривые построены при одной гомологической температуре в координатах t/g g для монокристаллов с одной ориентировкой (рис. 7.1 а) и S/E e для поликристаллов (рис. 7.1 б). Отношение t/g (S/E) при сравнении деформационного упрочнения разных металлов необходимо потому, что напряжение течения прямо пропорционально модулю на всех стадиях деформации. Следовательно, при прочих равных условиях коэффициент деформационного упрочнения сравниваемых металлов также пропорционален их модулям. Чтобы исключить различия в кривых деформационного упрочнения, обусловленные разницей в модулях упругости, по оси ординат на рис. 7.1 откладывают отношения t/g и S/E. В металлах с высокой энергией дефектов упаковки редко образуются плоские скопления дислокаций. Линии скольжения на их поверхности получаются волнистыми уже на ранних стадиях деформации, более четко проявляется фрагментация полос скольжения. Такие металлы более склонны к образованию ячеистой дислокационной структуры после значительной деформации. В металлах с низкой энергией дефекта упаковки дислокации после аналогичной деформации распределяются более равномерно. Существенно сказывается энергия дефектов упаковки и на пластической деформации двойникованием. Поскольку образование двойниковой границы связано с необходимостью создания дефекта упаковки, уменьшение его энергии увеличивает вероятность двойникования. 7.3 ВЛИЯНИЕ СХЕМЫ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ ДЕФОРМАЦИИ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ Картина деформации и упрочнения при одноосном растяжении относится к наиболее простой схеме напряженного состояния. При плоских и объемных схемах обеспечить скольжение дислокаций в одной системе практически невозможно. Стадии множественного и интенсивного поперечного скольжения будут характеризоваться аналогичными, но более сложными картинами линий скольжения и дислокационной структуры. Изменение схемы напряженного состояния меняет текстуру деформации, а также схема нагружения может существенно сказываться на пластической деформации двойникованием. Например, при растяжении монокристалла цинка двойникование идет, а при сжатии нет. Диапазон температур от 0 до 1 по гомологической шкале делится на три интервала. При низких температурах от 0 до (0,2 0,25)Т пл идет так называемая холодная пластическая деформация; между (0,2 0,25) и (0,5 0,6)Т пл теплая пластическая деформация; а выше (0,5 0,6)Т пл горячая деформация. 53

54 При низких температурах от 0 до (0,2 0,25)Т пл процессы термического возврата во время деформации можно не учитывать. Подъем температуры холодной деформации приводит к снижению уровня напряжений течения, сокращению первых двух стадий пластической деформации и расширению третьей, уменьшению коэффициента деформационного упрочнения на третьей стадии. Увеличение доли III стадии пластической деформации и уменьшение коэффициента упрочнения на этой стадии с повышением температуры обусловлено облегчением поперечного скольжения. Чем выше температура деформации, тем больше вероятность термической активации дислокаций, заторможенных у барьеров, достаточной для их преодоления. Наиболее важным результатом повышения температуры холодной деформации для поликристаллов является снижение коэффициента упрочнения на III стадии из-за облегчения поперечного скольжения. Это приводит к тому, что кривые растяжения поликристаллов при разных температурах могут заметно различаться по коэффициенту деформационного упрочнения (ds/dе) и уровню напряжений течения. Чем легче идет поперечное скольжение при самых низких температурах, тем меньше влияние нагрева на ds/dе. Например, повышение температуры испытания ОЦК металлов с высокой энергией дефекта упаковки слабо сказывается на коэффициенте упрочнения. Кривые здесь отличаются в основном уровнем напряжений. В общем случае расхождение кривых S е при разных температурах обусловлено двумя причинами: 1) различием субструктур, возникающих при разных температурах испытания; и 2) зависимостью напряжения течения (при одинаковой субструктуре) от температуры. Подъем температуры испытания выше (0,2 0,25)Т пл приводит к тому, что успевают более или менее полно проходить процессы возврата. При этом картина пластической деформации серьезно изменяется. Процессы термического возврата заключаются в устранении неравновесного избытка точечных дефектов и, главное, в перестройке дислокационной структуры, формирующейся при деформации. При самопроизвольной перестройке свободная энергия кристалла должна снизиться, поэтому в результате возврата уменьшается плотность дислокаций, а оставшиеся стремятся образовать устойчивые конфигурации, отличающиеся минимальной энергией, например в виде стенок или сеток, являющихся малоугловыми границами. Образование плоских дислокационных границ во время деформации называют динамической полигонизацией в отличие от статической, наблюдаемой при отжиге после деформации. Существенная перестройка дислокационной структуры при возврате возможна лишь в условиях активного протекания термически активируемых процессов поперечного скольжения и особенно переползания дислокаций. Поэтому, чем выше температура, тем полнее возврат. 54

55 При высокотемпературной деформации перемещение дислокаций происходит под действием одновременно внешних напряжений и температурного воздействия. Здесь дислокации, в том числе краевые и смешанные, а также расщепленные, не привязаны так жестко к «своей» плоскости скольжения, как при низкотемпературной деформации, и могут легко переходить из одной плоскости в другую, выбирая себе самый легкий путь. Это можно рассматривать как проявление дополнительной степени свободы у дислокаций. При таком внешне произвольном и неупорядоченном движении дислокаций увеличивается вероятность их встреч, и поэтому растет, с одной стороны, число случае их аннигиляций (из-за этого уменьшается плотность дислокаций), а с другой склонность к образованию регулярных дислокационных структур, для которых характерно объединение большинства дислокаций в малоугловые границы. Термический возврат приводит к разупрочнению. Следовательно, в процессе деформации при повышенных температурах деформационное упрочнение из-за повышения плотности дислокаций и увеличения эффективности их торможения будет конкурировать с разупрочнением из-за снижения плотности дислокаций и совершенствования дислокационной структуры в результате термического возврата. В процессе теплой деформации термический возврат всегда неполный, т.е. число вновь образующихся дислокаций здесь больше, чем число аннигилирующих. Поэтому при теплой деформации, как и при холодной, деформационное упрочнение происходит от начала нагружения и вплоть до разрушения. Трехстадийность упрочнения монокристалла с повышением температуры теплой деформации постепенно полностью устраняется, и деформация практически целиком может быть отнесена к III стадии интенсивно развитого поперечного скольжения и переползания дислокаций. Геометрия кривых упрочнения поликристаллов при переходе от холодной к теплой деформации качественно не меняется, происходит лишь снижение уровня напряжений течения и коэффициента деформационного упрочнения. Максимальная плотность дислокаций, достигаемая в результате теплой деформации, не превышает см -2, т.е. на один два порядка ниже, чем после холодной. Горячая деформация принципиально отличается от теплой полнотой термического возврата в определенном диапазоне степеней деформации. Поэтому стадийность горячей деформации качественно иная, чем при теплой и тем более холодной деформации (рис. 7.2). Кривые 1 и 2 (рис. 7.2) качественно являются общими для моно- и поликристаллов. Кривая 2 характерна для металлов с высокой энергией дефектов упаковки. 55

56 S a a b b c Рис. 7.2 Схемы кривых горячей деформации 1 2 e k k После упругой деформации до точки а начинается I стадия горячей деформации, которую называют стадией горячего наклепа (участок ав). На этой стадии термический возврат проходит частично, плотность дислокаций растет, и поэтому происходит определенное деформационное упрочнение. С увеличением степени деформации на стадии горячего наклепа формируется сначала ячеистая, а затем полигонизированная дислокационная структура идет динамическая полигонизация. К моменту достижения точки в термический возврат, скорость которого контролируется наиболее медленным процессом переползания дислокаций, становится полным, и начинается вторая установившаяся стадия горячей деформации (рис. 7.2, участок вк кривой 1). Эта стадия характеризуется близким к нулю деформационным упрочнением (на экспериментальных кривых может наблюдаться слабое упрочнение или разупрочнение), субструктура также практически не меняется форма, размер субзерен и плотность дислокаций (10 9, изредка см -2 ) остаются постоянными. Кривые горячей деформации, подобные кривой 2 на рис. 7.2, обычно характерны для металлов с низкой энергией дефектов упаковки. В этом случае наблюдаются три стадии горячей пластической деформации. На первой (участок ав) происходит деформационное упрочнение, причем здесь степень горячего наклепа должна быть значительно больше из-за трудности перестройки растянутых дислокаций путем поперечного скольжения и особенно переползания. В таких условиях динамическая полигонизация не получает развития. Формируется дислокационная структура, характеризующаяся объемными сплетениями дислокаций. В результате создаются структурные и энергетические условия, необходимые для зарождения центров динамической рекристаллизации. Они могут появиться еще до достижения точки в, но когда их станет достаточно много, то из-за понижения плотности дислокаций внутри этих рекристаллизованных зерен образуется участок разупрочнения вс. На этой стадии завершается динамическая рекристаллизация всего объема образца, и одновременно происходит повышение плотности дислокаций внутри рекристаллизованных зерен в результате продолжающейся деформации. К моменту достижения точки с устанавливается динамическое равновесие между количеством новых дислокаций и исчезающих в результате непрерывно продолжающейся динамической рекристаллизации наступает третья, установившаяся стадия горячей деформации (участок ск). На этой стадии средний размер рекристаллизованных зерен и плотности дислокаций уже не меняются 56

57 ( см -2 ). Деформационное упрочнение, как и на кривой 1, близко к нулю. Переход к установившейся стадии горячей деформации и в случае динамической полигонизации, и при динамической рекристаллизации происходит после истиной деформации на %. С повышением температуры горячей деформации установившейся стадия начинается все раньше, снижается уровень напряжений течения, уменьшается вероятность динамической рекристаллизации (из-за уменьшения степени горячего наклепа). Еще одной особенностью горячей деформации поликристаллов является заметное развитие межзеренной деформации, т.е. смещение зерен одного относительно другого по поверхности границ. Вклад межзеренных смещений в общую деформацию может стать значительным только при малых скоростях и в мелкозернистых материалах. 7.4 ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ И ЛЕГИРОВАНИЯ НА ПЛАСТИЧЕСКУЮ ДЕФОРМАЦИЮ И ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ Инородные атомы, находящиеся в узлах или междоузлиях кристаллической решетки базового металла, могут вызывать изменение картины пластической деформации в основном за счет четырех эффектов: 1) образования примесных атмосфер на дислокациях; 2) изменения энергии дефектов упаковки; 3) увеличения сил трения при движении дислокаций; 4) упорядочения. 1)Образование на дислокациях примесных атмосфер затрудняет их перемещение, особенно при низких температурах, повышает напряжение, необходимое для начала работы дислокационных источников. Блокировка дислокационные источников затрудняет переход к новым системам скольжения, поэтому примеси могут вызвать удлинение стадии легкого скольжения. В тоже время такая блокировка приводит к началу пластической деформации при боле высоких напряжениях, после разблокировки дислокаций, а в этих условиях облегчается множественное и поперечное скольжение, что особенно важно для поликристаллов. 2) Энергия дефекта упаковки при легировании чаще всего снижается. При значительных концентрациях легирующего элемента энергия дефекта упаковки может стать на порядок меньше, чем у металла основы, в результате чего поперечное скольжение дислокаций сильно затрудняется. Снижение энергии дефекта упаковки облегчает двойникование. Это имеет важное практическое значение: легирование, способствующее облегчению двойникования, используют как метод повышения пластичности хрупких материалов, в которых деформация скольжением почти не идет. 57

58 3) Инородные атомы в решетке твердого раствора являются центрами искажения, вокруг которых возникают поля упругих напряжений. Движение дислокаций в такой искаженной решетке затруднено по сравнению с чистым металлом: растут силы трения, препятствующие перемещению дислокаций. Степень прироста сил трения тем больше, чем сильнее разница в размерах атомов основы и добавки и их электронной структуре. 4) Сила трения дополнительно возрастает в результате упорядочения атомов внутри твердого раствора. Все описанные эффекты влияния инородных атомов в твердом растворе на особенности пластической деформации (кроме упорядочения) проявляются тем легче, чем ниже температура деформации. С повышением температуры влияние растворимых примесей и легирующих элементов ослабляется из-за размытия примесных атмосфер и активного развития термически активируемых процессов. Отличия деформационного упрочнения концентрированных твердых растворов от чистых металлов при низких температурах наиболее полно можно выявить, сопоставив соответствующие кривые монокристаллов, благоприятно ориентированных для одиночного скольжения (рис. 7.3). Видно, что растворение легирующего элемента вызывает: 1) повышение критического напряжения сдвига; 2) удлинение стадии легкого скольжения; 3) повышение напряжений перехода ко II и особенно III стадии; 4) увеличение коэффициента деформационного упрочнения на III стадии. Рост критического напряжения сдвига t кр обусловлен увеличением сил трения при движении дислокаций в решетке с наличием инородных атомов. Увеличение протяженности I стадии деформации при легировании результат затруднения начала скольжения в новых плоскостях. Если критическое напряжение сдвига возрастает, то концентрация напряжений у скоплений дислокаций в твердом растворе, необходимая для инициирования скольжения в новых плоскостях, тоже растет и, следовательно, легкое скольжение может продолжаться до больших деформаций. Особенно важным является повышение напряжения перехода к III стадии и увеличение здесь коэффициента упрочнения. Это связано с затруднением поперечного скольжения дислокаций в результате легирования (из-за увеличения сил трения), упорядочения и, очень часто, уменьшения энергии дефекта упаковки. В результате коэффициент деформационного упрочнения и уровень напряжений течения поликристаллических сплавов твердых растворов оказывается более высоким, чем у чистого металла. Частицы избыточных фаз могут еще более существенно, чем растворенные атомы, влиять на пластическую деформацию во всем интервале гомологических температур. Обычно в сплавах они находятся в окружении мат- 58

59 рицы твердого раствора на базе основного металла и являются эффективными барьерами для скользящих в матрице дислокаций. t c d 2 a c b 1 d a b g а б Рис. 7.3 Кривые деформационного упрочнения: а чистого металла(1) и твердого раствора (2); б никеля и твердых растворов кобальта в никеле при 295 К, [1] Легирующие элементы, вызывающие образование избыточных фаз, усиливают деформационное упрочнение с самого начала пластического течения. При наличии достаточно большого количества дисперсных частиц стадия легкого скольжения может быть полностью подавлена, и кривая упрочнения монокристалла имеет тот же вид, что и у поликристалла. Частицы здесь тормозят дислокации уже на начальных этапах деформации, способствуя множественному скольжению. Частицы второй фазы способствуют увеличению коэффициента упрочнения и росту напряжений течения на всех стадиях деформации. Дислокации могут преодолевать частицы избыточной фазы либо путем их перерезания, либо путем обхода с образованием дислокационных колец вокруг этих частиц (рис. 7.4). а б в Рис. 7.4 Способы преодоления дислокациями дисперсных частиц: а стадии выгибания скользящей дислокации между частицами второй фазы с образованием петель; б стадии локального поперечного скольжения при обходе дислокацией частицы второй фазы; в перерезание дисперсной частицы скользящей дислокацией 59

60 Перерезание возможно в том случае, если решетка частицы когерентная матрице. Вторым условием перерезания является настолько малое расстояние между когерентными частицами, чтобы дислокация не могла пройти между ними. Если расстояние между когерентными выделениями становятся больше некоторого критического, они обходятся дислокациями так же, как некогерентные частицы второй фазы. В этом случае, напряжение, необходимое для проталкивания дислокаций между частицами, обратно пропорционально расстоянию между ними. В зависимости от способа преодоления дислокациями частиц второй фазы наблюдаются определенные различия в картине пластической деформации. При действии механизма перерезания деформация идет по меньшему числу систем скольжения, где действуют достаточно высокие приведенные напряжения сдвига. Локализация деформации выражается в меньшем числе линий и полос скольжения, располагающихся на относительно большом расстоянии друг от друга. При этом довольно быстро образуются мощные дислокационные скопления, способствующие преждевременному разрушению. При обходе частиц пластическая деформация более равномерна, и в результате деформационная способность сплава оказывается выше. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Какие выводы позволяют сделать теории деформационного упрочнения? 2. К чему приводит увеличение энергии дефекта упаковки? 3. Как влияет энергия дефекта упаковки на вероятность двойникования? 4. Какие металлы более склонны к образованию ячеистой структуры? 5. Как может повлиять схема напряженного состояния на деформацию двойникованием? 6. Как различают деформацию в зависимости от температуры? 7. Влияние температуры на процессы холодной деформации? 8. В чем заключаются процессы термического возврата? 9. Что называют динамической полигонизацией? 10. В чем отличие горячей деформации от теплой? 11. Какие существуют стадии горячей деформации? 12. За счет каких эффектов инородные атомы в металле изменяют картину пластической деформации? 13. Отличие деформационного упрочнения концентрированных твердых растворов от чистых металлов? 14. Каким путем дислокации могут преодолевать частицы избыточной фазы? 60

61 ЛЕКЦИЯ 8 РАЗРУШЕНИЕ ПЛАН 8.1 Виды разрушения металлов 8.2 Разрушение путем среза и отрыва 8.3 Внутризеренное и межзеренное разрушение. Принцип безопасного повреждения 8.1 ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Деформация металлического материала при достижении определенных напряжений может заканчиваться его разрушением. Под разрушением принято понимать процесс необратимого нарушения сплошности тела и разделение его на отдельные части. При этом разрушение рассматривается как процесс, состоящий из ряда последовательных стадий, которые включают зарождение трещин субмикроскопических размеров, их последующее развитие и, наконец, заключительное формирование макроскопической магистральной трещины (видимой невооруженным глазом), заканчивающееся обычно разделением материала на части. Существуют различные классификации видов разрушения. В случае однократного воздействия монотонно нарастающей нагрузки возможно разрушение двух основных видов: хрупкое и вязкое. На практике чаще имеет место смешанное разрушение, одновременно обладающее чертами и хрупкого и вязкого разрушения. Иногда признаки указанных типов разрушения могут проявляться в определенной последовательности (например, разрушение начинается как вязкое, а заканчивается как хрупкое). Разрушение называют вязким, если ему предшествовала значительная пластическая деформация, и хрупким, если пластическая деформация незаметна или же не превышает 1 2 %. Первоначально считали, что хрупкое разрушение происходит после упругой деформации, но затем было экспериментально доказано, что в металлах любому разрушению предшествует пластическая деформация, хоты бы и очень маленькая. При хрупком разрушении, когда микропластическая деформация не выявляется, в микрообъемах всегда можно найти следы пластической деформации в виде линий скольжения. Считают, что при хрупком разрушении металлов, развитию трещины сопутствует локальная пластическая деформация в тонком приповерхностном слое трещины. Такое разрушение называют квазихрупким. Деление разрушения на хрупкое и вязкое весьма условно, так как при такой классификации трудно охватить все стороны явления на макро- и микроуровне. Основные отличия этих двух видов разрушения. С позиций макроскопической картины хрупкое разрушение вызывается действием относительно небольших растягивающих напряжений (обычно не превышающих предел текучести). В этом случае для протекания и заверше- 61

62 ния хрупкого разрушения не требуется подвода энергии извне (т. е. повышения действующей нагрузки), а достаточно запасенной упругой энергии разрушающейся конструкции. Принципиально иная ситуация возникает в условиях протекания вязкого разрушения. Оно развивается под действием напряжений, которые не только превышают предел текучести, но и непрерывно растут по величине (хотя действующее усилие может при этом даже снижаться вследствие уменьшения "живого" сечения нагруженного материала). Хрупкое разрушение сопровождается незначительной пластической деформацией, предшествующей разрушению. Вязкому же разрушению предшествует значительная макроскопическая деформация, так как оно развивается при напряжениях, превышающих предел текучести, и суммарная энергоемкость процесса оказывается большой. Для обоих видов разрушения характерным является возникновение зародышевых трещин и их последующее распространение. По механизму образования трещины хрупкое и вязкое разрушения принципиально между собой не различаются. Вместе с тем склонность к тому или иному виду разрушения материала определяется тем, с какой скоростью возникшая трещина будет затем развиваться. При хрупком разрушении трещина растет с очень высокой скоростью, достигающей 0,4 0,5 скорости распространения звука в разрушаемом материале. В то же время скорость роста "вязкой" трещины очень мала. Фридман Я.Б. классифицирует разрушение по разным признакам (табл. 8.1). 62

63 Таблица 8.1 Классификация основных видов механического разрушения Признак, по которому проводится классификация Вид разрушения По характеру силового воздействия: нагрузка в основном монотонно изменяется, периода постоянной нагрузки нет или он мал относительно периода разрушения; период неменяющейся нагрузки соизмерим с периодом разрушения; нагрузка периодически и многократно изменяется в процессе разрушения По ориентировке макроскопической поверхности разрушения при разных способах нагружения (растяжение, изгиб, сжатие, кручение, вдавливание и т. п.): макроскопическая поверхность разрушения перпендикулярна направлению + ζ max или +ε max при крайне малом пластически деформированном объеме в зоне разрушения; поверхность наклонена под углом примерно 45 к направлению + ζ max По локальности разрушения, оцениваемой по соотношению размеров разрушаемой зоны и структурных элементов Кратковременное однократное статическое Длительное однократное статическое и замедленное Усталостное Отрыв Срез Субмикроскопическое III рода; макроскопическое II рода; макроскопическое I рода По пластической деформации, предшествующей разрушению По структурному расположению поверхности разрушения По степени развития разрушения По влиянию внешней среды Хрупкое; макрохрупкое, но микропластическое; пластическое Внутрикристаллитное; межкристаллитное; смешанное Начальное поверхность трещины значительно меньше площади сечения тела; развитое, в том числе полное Вызванное понижением поверхностной энергии (наличие легкоплавких покрытий); вызванное коррозией; связанное с облучением 63

64 8.2 РАЗРУШЕНИЕ ПУТЕМ СРЕЗА И ОТРЫВА По ориентировке микроскопической поверхности разрушения различают разрушение отрывом и разрушение срезом: при отрыве эта поверхность перпендикулярна направлению наибольшего растягивающего напряжения, а при срезе наклонена к нему под углом 45 (табл. 8.2). Отрыв происходит под действием нормальных напряжений и обычно наблюдается при хрупком разрушении, а срез происходит под действием касательных напряжений и характерен для вязкого разрушения. Однако и под действием касательных напряжений может происходить хрупкое разрушение, называемое в этом случае сколом. Скол свойственен неметаллам и некоторым малопластичным литым сплавам. Траектории макроразрушения путем отрыва и среза при разных способах нагружения приведены в таблице 8.2. Между разрушением путем отрыва и путем среза имеется существенное различие. Отрыв принципиально может быть осуществлен без предварительной макропластической деформации. Срез вызывается касательными напряжениями, которые вызывают пластическую деформацию, и потому, как правило, срезу предшествует пластическая деформация. Во многих случаях различие между отрывом и срезом становится затруднительным и спорным. Одно из затруднений заключается в том, что часто микрохарактер разрушения не совпадает с макрохарактером; другая трудность заключается в постепенности (неодновременности) процесса разрушения. Только начало излома происходит в исходном напряженном состоянии, а развитие и завершение излома происходит в условиях изменяющегося, из-за развития трещин и сопутствующих этому дополнительных процессов деформации, напряженного и деформированного состояния. Судить о характере разрушения раздельно: по начальным стадиям разрушения (ориентировка и распределение начальных трещин, строение очага разрушения), по стадиям распространения разрушения и по зоне долома. У всех металлических монокристаллов может наблюдаться разрушение путем среза, но только после предшествовавшей, обычно довольно значительной, пластической деформации. Ввиду того, что у кристаллов с кубической структурой скольжение происходит одновременно по нескольким плоскостям, разрушение путем среза проще количественно изучать у кристаллов с гексагональной структурой (Mg, Zn, Cd), которые при комнатных температурах обладают единственной плоскостью сдвига. Влияние предшествующего наклепа на сопротивление срезу и отрыву может быть различным в зависимости от направления деформации и способа нагружения. 64

65 Таблица 8.2 Схемы разрушения путем отрыва и среза при различных механических испытаниях (по Я. Б. Фридману) Вид испытания Схема нагружения Направление действия Вид разрушения напряжений нормальное касательное отрыв срез Растяжение Сжатие Кручение Изгиб У монокристаллов может наблюдаться значительное по величине как повышение, так и понижение сопротивления отрыву в зависимости от направления деформации. Разрушение поликристаллов является усредненным проявлением процесса разрушения отдельных зерен (кристаллитов), подобно процессу развития упругой и особенно пластической деформации. 8.3 ПРИНЦИП БЕЗОПАСНОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ. ВНУТРИЗЕРЕННОЕ И МЕЖЗЕРЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ Вязкое и хрупкое разрушение включают в себя две стадии: 1) зарождение зародышевой трещины 2) ее распространение. 65

66 По механизму зарождения трещин они принципиально не различаются. Качественное различие между ними связано с энергоемкостью и скоростью распределения трещин. При хрупком разрушении та скорость очень велика, она достигает 0,4-0,5 скорости распространения звука в материале образца. В случае же вязкого разрушения трещина распространяется в основном с относительно малой скоростью, соизмеримой со скоростью деформации образца. Энергоемкость вязкого разрушения значительно больше потому, что при развитии вязкой трещины пластическая деформация идет не только вблизи ее вершины, но и по значительному объему детали или образца. В результате работа, необходимая для продвижения трещины, здесь значительно больше, чем при развитии хрупкой трещины, когда пластическая деформация локализована в узком слое у ее вершины. Вторая стадия разрушения является наиболее важной, так как именно она в основном определяет сопротивление материала разрушению. По Я.Б.Фридману, процесс разрушения на стадии развития трещины состоит из следующих четырех этапов: 1) инкубационного, на котором скорость распространения трещины постепенно возрастает; 2) периода торможения, характеризующегося замедлением роста трещины; 3) стационарного, когда скорость развития трещины постоянна; 4) ускоренного, иногда лавинообразного периода роста трещины, с все возрастающей скоростью вплоть до полного разрушения тела. Первые три периода соответствуют так называемой докритической стадии развития трещины, когда процесс разрушения еще можно контролировать, а четвертый закритической стадии распространения трещины, когда окончательное разрушение становится уже трудно управляемым и часто необратимым. Подразделение второй стадии процесса разрушения на до и закритическую подстадии имело принципиальное значение для инженерной практики. Если до недавнего времени конструкция с любой трещиной считалась непригодной для эксплуатации, то теперь при конструировании основным становится принцип «безопасного повреждения», который допускает эксплуатацию при наличии трещин на докритической стадии их развития. Если поверхность разрушения проходит внутри зерен, то разрушение называют внутризеренным (транскристаллитным), а если по границам зерен то межзеренным (интеркристаллитным). Часто встречается и смешанное разрушение. Межзеренное разрушение развивается в том случае, когда границы чемто ослаблены, например, неметаллическими включениями. Межзеренное разрушение, как правило, является хрупким. Оно вызывается, например, повышенной концентрацией примесей, способствующей образованию частиц хрупкой фазы на границах зерен. Если такая фаза оказыва- 66

67 ется более хрупкой по сравнению с матрицей, то хрупкое разрушение выделившихся частиц нарушает сплошность границ, что и приводит к межзеренному разрушению. В некоторых случаях пограничное охрупчивание может быть связано с сегрегациями примесей и без образования частиц второй фазы. Тенденция к межзеренному разрушению усиливается по мере уменьшения скорости деформации. Трещина может зародиться на границе зерен, но распространяется по телу зерен: такое разрушение называют внутризеренным. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют разрушением? 2. Какие виды разрушения существуют? 3. В чем различие хрупкого и вязкого разрушения? 4. Какое разрушение называют квазихрупкими? 5. Какие виды разрушения различают по ориентировке микроскопической поверхности разрушения? 6. В каком случае происходит разрушение отрывом? 7. В каком случае происходит разрушение срезом? 8. Какие стадии включают хрупкое и вязкое разрушения? 9. Из каких этапов состоит процесс разрушения на стадии развития трещины? 10.На чем основан принцип «безопасного повреждения»? 11. В каких случаях происходит межзеренное разрушение, внутризеренное? ЛЕКЦИЯ 9 ВЯЗКОЕ И ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ПЛАН 9.1 Механизмы зарождения трещин 9.2 Вязкое и хрупкое разрушение. Структура изломов 9.3 Развитие трещины с позиций механики разрушения. Критерий Гриффитса 9.1 МЕХАНИЗМЫ ЗАРОЖДЕНИЯ ТРЕЩИН Механизмы зарождения трещин и пор на атомном уровне основаны на представлении о том, что для разрушения необходима пластическая деформация, вызванная движением дислокаций. Известны несколько моделей соединения дислокаций и образования субмикротрещин. Так, торможение дислокаций и их скопление около препятствий (границы зерен, двойников, либо включения избыточных фаз) способствует сближению нескольких дислокаций, экстраплоскости которых слива- 67

68 Рис. 9.1 Образование дислокационной трещины (а) и ее затупление с превращением в пору (б), [3] ются, а под ними образуется зародышевая микротрещина. Модель образования микротрещины путем слияния дислокаций называется моделью Зинера Стро. Микротрещина может преобразовываться в микропору путем вхождения дислокации обратного знака в дислокационную микротрещину и ее затупления (рис. 9.1), что приводит к существенному уменьшению концентрации напряжений в ядре клиновидной дислокационной трещины или сверхдислокации. Микропоры могут образоваться путем формирования локальных скоплений вакансий с последующей конденсацией их в поры. Вакансионному пересыщению кристаллической решетки способствуют большая пластическая деформация, радиационное облучение, закалка и т. п. Модель формирования поры в результате сдвиговой деформации, протекающей за счет дислокационных перемещений в пересекающихся плоскостях скольжения, показана рис Условия такого скольжения реализуются в макроскопическом масштабе, например, при поперечной или винтовой прокатке, при которой в осевой зоне заготовки вскрывается полость. Особенности производства и эксплуатации металлических материалов Рис. 9.2 Образование поры на пересечении попеременно активируемых плоскостей скольжения Рис. 9.3 Схема зарождения трещины у вершины дислокационного скопления, [3] способствуют возникновению газовых пор (пузырьков), причем давление газа может быть существенным. Модель заторможенного сдвига. Эта модель, подобно предыдущей, предполагает блокировку дислокаций барьером. Отличие ее заключается в том, что в голове дислокационного скопления возникают не только касательные напряжения интенсивностью nη, но и значительные нормальные растягивающие напряжения в области под плоскостью скольжения. Эти растягивающие напряжения максимальны на плоскости, составляющей угол 70 с плоскостью скольжения (рис. 9.3). После достижения количества дислокаций в скоплении до нескольких сотен нормальные напряжения превышают прочность материала на отрыв (теоретическая прочность) и появляется трещина. Модель Коттрелла. Этот механизм можно использовать для описания процесса образования трещин в металлах с ОЦК решеткой. Возникновение 68

69 Рис. 9.4 Схема зарождения трещины в ОЦК металлах, [3] трещин, как и в предыдущих случаях, связывается с необходимостью формирования дислокационных скоплений. Однако в модели Коттрелла не требуется наличия в исходном состоянии готовых барьеров для дислокаций. Препятствия, а затем дислокационные скопления и трещины образуются в результате протекающей пластической деформации. На рис. 9.4 показана схема образования трещины по этой модели. В растягиваемом образце происходит перемещение скользящей дислокации по пересекающимся плоскостям (101) и (101) (это плоскости наиболее плотной упаковки в ОЦК кристалле и именно они являются плоскостями легкого скольжения). При встрече этих дислокаций возникает новая дислокация, расположенная в плоскости (100), не являющейся плоскостью скольжения. Дислокация встречи блокирует обе плоскости скольжения, что приводит к скоплению дислокаций и образованию зародышевой трещины в плоскости скола (001). Модель образования трещины у субграницы. В некоторых случаях для зарождения трещины необязательным является наличие дислокационного скопления. Например, в металлах с гексагональной решеткой (Zn) при низких температурах возможно возникновение трещины в результате перерезания малоугловой границы в процессе сдвига. На рис. 9.5 показано образование микротрещины в результате сдвига, разделяющего малоугловую границу (с углом разориентировки приблизительно 5 ) на две части. Такое разделение возможно, если малоугловая граница расположена вертикально по отношению к базисным кристаллографическим плоскостям ГПУ кристалла, по которым происходит сдвиг при нагружении. Рис. 9.5 Возникновение трещины при перерезании малоугловой границы: а до деформации; б зарождение трещины, [3] 69

70 Модель зарождения трещины при торможении двойника. Двойники деформации распространяются с большой скоростью. Поэтому при встрече растущего двойника деформации с препятствием, например, границей зерна или ранее образовавшимся двойником, для которого характерно другое направление двойникования, создаются благоприятные условия для зарождения трещины (рис. 9.6). Рис. 9.6 Схема возникновения трещины при встрече развивающихся двойников (а) и торможения одного двойника другим (б), [3] Рис. 9.7 Схема зарождения трещины в стыке трех зерен за счет межзеренной деформации, [3] В условиях развитой межзеренной деформации микропоры могут возникать вблизи стыка кристаллитов А, В и С (рис. 9.7). Вакансионная модель образования пор. Деформация ползучести, особенно при высоких температурах и низких напряжениях, связана не с движущимися дислокациями, а происходит вакансионным путем и является результатом направленного массопереноса. Диффузионные потоки вакансий вдоль границ зерен больше транскристаллитных потоков. Это стимулирует зернограничную деформацию и образование трещин и микропор на стыке кристаллитов. Межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой способствует образованию микропор. Микропоры могут образовываться около частиц избыточных фаз, которые чаще всего располагаются на границах зерен. С увеличением поверхностной энергии границы матрица фаза и уменьшением размера частиц избыточной фазы вероятность образования микропор возрастает. Образование микропор по механизму стока вакансий наблюдается при радиационном облучении. Кроме рассмотренных, возможны и другие механизмы зарождения пор и трещин. Способ образования зародышевых дефектов зависит от типа кри- 70

71 сталлической решетки металла и характера микроструктуры. Дальнейшее поведение пор и трещин, определяющее многие механические характеристики материала, зависит от условий нагружения, под действием которых объемные дефекты развиваются. 9.2 ВЯЗКОЕ И ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ. СТРУКТУРА ИЗЛОМОВ Для вязкого разрушения характерным является не только значительная по величине предварительная пластическая деформация, но и весьма медленное распространение появившейся трещины. При этом для ее роста обязательным является подвод энергии извне, т. е. требуется приложение внешних усилий. Надежное эксплуатационное поведение деталей машин и конструкций предполагает их нагружение в области упругого деформирования, исключающего развития макропластической деформации и позволяющего, следовательно, избежать недопустимого изменения формы и размеров. Поэтому в процессе службы вязкого разрушения обычно не происходит. Вязкое разрушение по сравнению с хрупким менее опасное, так как оно развивается со значительно меньшей скоростью и вызывается напряжениями, превышающими предел текучести материала (а предел текучести используется при расчетах на прочность деталей и конструкций). Знание особенностей вязкого разрушения позволяет лучше понять природу хрупкого разрушения и разработать условия для подавления последнего. Понимание механизма вязкого разрушения важно при анализе поведения металла при обработке давлением. В этом случае материалы подвергаются заметной пластической деформации, которая, однако, не должна вызывать разрушения (в том числе и вязкого). В зависимости от типа материала, геометрии образца, способов и условий нагружения реализуются различные механизмы вязкого разрушения. При растяжении цилиндрических образцов вязкое разрушение металлов с ОЦК решеткой (хром, молибден и т. д.) чаще всего происходит путем формирования чашечного излома (рис. 9.8 а). Его иногда Рис. 9.8 Возможные виды вязкого разрушения: а чашечный излом; б сужение и точку; в клиновидный срез называют излом типа чашечка конус. При одноосном нагружении вначале происходит равномерное удлинение образца. Затем наблюдается локализация деформации, проявляющаяся в образовании шейки. Разрушение в таком случае начинается в центре формирующейся шейки, где возникает объемное напряженное состояние и где значительную долю составля- 71

72 ют растягивающие напряжения. В результате этого в центральной части происходит разрушение отрывом с образованием множества микропустот (микротрещин). Их последующее слияние ведет к возникновению магистральной трещины, ориентированной перпендикулярно оси растяжения. При этом продвижение такой трещины происходит по направлению от центральной части шейки к периферийным слоям. На завершающей стадии своего роста вблизи поверхности образца трещина меняет направление движения, перемещаясь уже под углом 45 к оси растяжения. Причиной этого является изменение схемы напряженного состояния в поверхностных слоях и значительное преобладание касательных напряжений, стимулирующих на финальном этапе разрушение срезом. Высокопластичные материалы с ГЦК решеткой (медь, серебро и др.) при растяжении разрушаются обычно путем сдвига вдоль плоскостей скольжения типа {111}. В этом случае сужение поперечного сечения перед окончательным разделением может достигать почти 100 %, в результате чашечный излом постепенно трансформируется, сужаясь до точки, шейка превращается в острие (рис. 9.8 б). Разрушение путем среза (рис. 9.8 в) наблюдается в металлах с ГПУ решеткой (цинк, кадмий и т. д.), а также в малопластичных высокоуглеродистых сталях. Поверхность излома имеет вид одностороннего клина. Обычно такое разрушение называют чистым сдвигом. Хрупкое разрушение характеризуется очень быстрым ростом трещины, причем этот рост не требует повышения действующих напряжений, т.е. для хрупкого разрушения не требуется повода энергии извне, а достаточно запасенной упругой энергии разрушающей конструкции. Все это обусловливает внезапность и катастрофические последствия хрупкого разрушения. Рассмотрение хрупкого разрушения начнем с предположения, что в теле существует трещина и нормальные растягивающие напряжения. Под действием последних трещина раскрывается в результате одновременного разрыва межатомных связей по плоскости, перпендикулярной действующим нормальным напряжениям (рис. 9.9). Рис. 9.9 Схема смещения атомов из положения равновесия под действием внешних напряжений, [4] Рис Зависимость силы связи от смещения атомов а 0 межатомное расстояние в недеформированном металле, [4] 72

73 Зависимость результирующей силы взаимодействия между атомами от их смещения из положения равновесия обычно представляется в виде функции, график которой изображен на рис Зная количество атомов в поперечном сечении и его площадь, легко рассчитать напряжение, возникающее при одновременном удалении всех атомов от плоскости разрыва. Это напряжение можно приближенно выразить 1/4 синусоиды (формула 9.1): ζ=ζ теор sin(2πx/λ S ), (9.1) где ζ теор теоретическая прочность, определяемая как сумма сил межатомного взаимодействия (действующих на все атомы, участвующие в разрушении), отнесенная к единице поверхности; х смещение атомов относительно положения равновесия; λ S период синусоиды, аппроксимирующей зависимость силы взаимодействия атомов от величины их смещения из положения равновесия. Прочность большинства материалов на несколько порядков меньше значения теоретической прочности на разрыв. Это объясняется тем, что разрыв межатомных связей происходит не одновременно по всей плоскости, а последовательно аналогично тому, как распространяется сдвиг по плоскости скольжения при движении дислокации Хрупкое разрушение развивается в три стадии. На первой стадии происходит зарождение трещины, возникшей в процессе микропластической деформации. На второй стадии наблюдается ее рост с малой скоростью. Решающую роль в развитии трещины играет пластическая деформация. Достигнув критического размера, хрупкая трещина распространяется лавинообразно третий этап такого разрушения. Закритический, неконтролируемый рост хрупкой трещины энергетически оправдан, т. к. скорость уменьшения внутренней энергии намного превосходит поверхностную энергию плоскости разрушения. Скорость распространения трещины на третьей стадии может достигать значений, близких к скорости звука в металле. Исследование поверхности изломов проводится с помощью фрактографического анализа (световой, просвечивающий или сканирующий электронный микроскоп). Хрупкое разрушение наступает вследствие катастрофического распространения трещины и приводит к формированию поверхности разрушения, главным структурным элементом которой являются фасетки скола (рис а). В общем случае поверхность скола состоит из совокупности внутри- и межкристаллитных фасеток. Фасетки, образующиеся при раскалывании элементов внутризеренной структуры (целого зерна, субзерна, колонии эвтектики или эвтектоида и т.п.), представляют собой сечение соответствующего элемента структуры по плоскости скола. Межкристаллитная фасетка это поверхность разрушения одного зерна. При осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Хрупкое разрушение может быть и внутри- и межзеренным (рис б,в). 73

74 а б в Рис Хрупкий излом: а фасетки скола; б внутризеренный; в межзеренный, [1] Иной механизм развития имеет вязкое разрушение. По мере растяжения материала, находящегося в вязком состоянии, имеющиеся и образующиеся в нем вновь поры сливаются с образованием более крупных. В итоге в центре шейки образуется сплошная трещина, перпендикулярная оси образца. Дальнейший рост этой трещины происходит путем присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними. В результате формируется так называемый ямочный рельеф. Дном ямок являются донышки микропор, а гребни, разделяющие ямки, возникают при срезе перемычек, разделяющих поры (рис а). Вязкий излом отличается характерными особенностями своей структуры. Он имеет матовый оттенок и волокнистое строение со множеством неровностей и следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения. Как правило, вязкое разрушение оказывается внутризеренным (рис б). а Рис Вязкий излом: а 1200; б 1000 б Образование вязких трещин может происходить по любому из рассмотренных ранее механизмов. Однако наиболее часто в технических металлических материалах возникновение зародышевых трещин происходит по модели слияния дислокаций у барьеров. Ими могут являться различного рода включения, всегда имеющиеся в технических металлах. Поэтому на фрактограммах вязких изломов на дне ямок часто можно наблюдать неметаллические включения. 74

75 9.3 РАЗВИТИЕ ТРЕЩИНЫ С ПОЗИЦИЙ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ. КРИТЕРИЙ ГРИФФИТСА Первые представления о механике разрушения металлов из энергетических представлений были высказаны А. Гриффитсом. Если в пластине, находящейся под действием растягивающих напряжений, развивается перпендикулярная оси растяжения трещина длиной l (рис. 9.13), то упругая энергия пластины уменьшается и одновременно затрачивается работа на создание свободных поверхностей стенок трещины. Результирующее изменение энергии пластины зависит от соотношения вкладов двух составляющих разного знака. Анализ показывает, что, начиная с некоторой критической длины трещины l кр, уменьшение запасенной упругой энергии перекрывает увеличение поверхностной энергии. Это означает, что при повышении критической длины l кр, развитие трещины на так называемой закритической или неустановившейся стадии, идет за счет запасенной энергии упругой деформации, не требуя увеличения растягивающей нагрузки. Критическая длина трещины l кр и соответствующее ей растягивающее напряжение связаны соотношением (критерием) Гриффитса: 2 E / (9.2) s l кр Рис Схема трещины по Гриффитсу где γ S удельная поверхностная энергия; Е модуль Юнга. Согласно этому критерию, чем больше действующее напряжение, тем более короткие трещины способны к закритическому, лавинообразному развитию. Критическое значение напряжения называют пределом хрупкой прочности и обозначают ζ f. Из формулы (9.2) легко определить l кр 1,5γ S E/ζ 2 f (9.3) Поскольку абсолютно хрупкое разрушение образцов при испытании трудно осуществить, то результаты расчета по формуле (9.2) существенно ниже опытного значения сопротивления разрушению при отрыве. Объясняется это тем, что на фронте продвигающейся трещины имеет место пластическая деформация, которая возникает при достижении растущим напряжением предела текучести материала. Энергоемкость процесса пластической деформации, предшествующей хрупкому разрушению, как правило, намного больше приращения поверхностной энергии растущей трещины, поэтому в выра- 75

76 жении (9.2) целесообразно вместо y s использовать сумму удельной поверхностной энергии и удельной энергии пластической деформации (y s + y P ). ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. На чем основаны механизмы зарождения трещин? 2. Перечислите основные механизмы зарождения трещин. 3. Особенности протекания вязкого разрушения? 4. Особенности протекания хрупкого разрушения? 5. Какие механизмы вязкого разрушения реализуются в зависимости от типа материала, геометрии образца, способов и условий нагружения? 6. С помощью какого метода проводят исследование поверхности разрушения? 7. Назовите стадии хрупкого разрушения. 8. Особенности структуры хрупких изломов? 9. Особенности структуры вязких изломов? 10. Что связывает критерий Гриффитса? 11. Какое напряжение называют пределом хрупкой прочности? ЛЕКЦИЯ 10 ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ. ХЛАДНОЛОМКОСТЬ ПЛАН 10.1 Критический коэффициент интенсивности напряжений при плоском деформированном и плоском напряженном состоянии 10.2 Переход от хрупкого разрушения к вязкому 10.3 Способы борьбы с хладноломкостью 10.4 Замедленное разрушение 10.1 КРИТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ПЛОСКОМ ДЕФОРМИРОВАННОМ И ПЛОСКОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ Ирвин ввел параметр G сопротивление развитию трещины, (Дж): G =πζ 2 l/е, (10.1) где ζ внешнее напряжение; l длина трещины; Е модуль нормальной упругости. Формально это выражение является первой производной упругой энергии, выделяющейся при раскрытии трещины, по длине трещины. Физический смысл этого параметра состоит в том, что он характеризует работу, которую надо затратить на образование новой поверхности трещины единичной длины. В металлах: G = 2(γ s +γ p ) = 2γ р (10.2) Силовой критерий разрушения К, (МПа. м 1/2 ): К = ζ(πс) 1/2 (10.3) 76

77 Этот параметр характеризует локальное повышение уровня растягивающих напряжений у вершины трещины и численно равен напряжению, действующему впереди вершины трещины вдоль направления ее распространения на расстоянии π/2 мм от ее вершины. Отметим два практически важных момента: во-первых, если известна величина К в какой-то момент развития трещины, то Рис Типы взаимного смещения поверхностей трещины: а раскрытие трещины за счет растягивающих напряжений; б, в за счет сдвиговых напряжений разделив его на 2, получим значение напряжения в точке, удаленной на 1 мм от вершины трещины в направлении ее дальнейшего развития; во-вторых, параметры К и G связаны между собой соотношением G = К 2 /Е. Существует три возможных варианта раскрытия трещин (рис. 10.1). Практически важным является первый вариант, так как он вызван действием растягивающих, а не сдвиговых напряжений и наиболее опасен. Коэффициенты G и К, относящиеся к этому варианту раскрытия трещины под действием растягивающих напряжений, обозначаются G Iс и К Iс. Кроме того, с точки зрения оценки сопротивления разрушению практический интерес представляет момент начала закритического, неконтролируемого роста хрупкой трещины, когда ее длина l в уравнениях (10.1), (10.3) достигает определенного порогового значения. Критический коэффициент интенсивности напряжений К ]с (при плоском деформированном состоянии) или К с (при плоском напряженном состоянии) и соответствующие параметры G Iс и G c называют вязкостью разрушения. Величина К с зависит от толщины пластины (рис. 9.13), в то время как коэффициент К ]с является в определенных пределах константой материала: он не зависит от геометрии образца (конструкции), размеров трещины, величины напряжения и определяется только свойствами материала при заданной температуре окружающей среды и скорости деформации. Все перечисленные выше параметры могут быть использованы для оценки вязкости материала. Чем больше величина этих параметров, тем более вязкий материал ПЕРЕХОД ИЗ ВЯЗКОГО СОСТОЯНИЯ В ХРУПКОЕ Хрупкое разрушение для любого металлического материала наблюдается лишь при определенных условиях испытания, обработки или эксплуатации. Склонность к хрупкому разрушению сильно зависит от температуры: 77

78 шаются с ростом температуры. В противоположность этому напряжение, необходимое для начала пластической деформации, т.е. предел текучести т, сильно снижается с повышением температуры (кривая 2). Пересечение кривых 1 и 2 на рис соответствует температуре Т хр, называемой температурой хрупко-вязкого перепоказатель пластичности чем она ниже, тем обычно больше вероятность хрупкого разрушения. На температурной зависимости показателя пластичности технических металлов и сплавов выделяется интервал температур перехода (Т хр ) от хрупкого разрушения (близкие к нулю показатели пластичности) к вязкому (значительные по величине показатели пластичности). Вместо интервала температур часто используют какую-то одну температуру хрупко-вязкого перехода Т хр верхнюю или нижнюю границы интервала Т хр, либо температуру, соответствующую середине интервала (рис. 10.2). Иногда Т хр оценивают как температуру, соответствующую определенной доле хрупких по структуре участков излома образца, Величина Т хр широко используется как характеристика склонности того или иного материала к хрупкому разрушению: чем выше Т хр, тем больше эта склонность. Температура хрупковязкого перехода не является константой материала. Один и тот же материал в зависимости от структуры и условий нагружения может разрушаться и вязко, и хрупко. Основные внешние факторы, влияющие на тип разрушения температура, скорость нагружения и наличие концентраторов напряжений. ζ 0, ζ т Рис Зависимость показателя пластичности от температуры ζ 0 Т хр ΔТ хр ζ т Т хр Т / хр Т // хр температура Рис Схема Иоффе, объясняющая переход из вязкого состояния в хрупкое Академик А.Ф.Иоффе предложил схему (рис. 10.3), которая помогает понять влияние разных факторов на переход из вязкого состояния в хрупкое, и, прежде всего, влияние температуры. Эта схема базируется на разной температурной зависимости сопротивления отрыву и предела текучести. Сопротивление отрыву 0, характеризующее сопротивление хрупкому разрушению, слабо зависит от температуры (кривая 1), так как определяется силами межатомной связи, которые слабо умень- 78

79 хода или же температурным порогом хрупкости. При температурах выше Т хр т 0, при нагружении вначале достигается предел текучести и разрушению предшествует значительная пластическая деформация. При температурах ниже Т хр т > 0, при нагружении сначала достигается сопротивление отрыву и происходит хрупкое разрушение. Охрупчивание при понижении температуры следует учитывать при эксплуатации изделий, особенно в северных районах. При увеличении скорости деформирования предел текучести при всех температурах возрастает (кривая 3), а сопротивление отрыву остается практически неизменным (кривая 1). В результате точка пересечения кривых 1 и 3 соответствует более высокой температуре (Т хр Т хр ). Следовательно, при увеличении скорости деформирования температурная область хрупкого разрушения расширяется и, например, пластичный в обычных условиях при комнатной температуре сплав становится хрупким. Любые факторы, уменьшающие сопротивление отрыву, повышают температуру хрупко-вязкого перехода: кривые 2 и 4 пересекаются при Т хр Т хр. Это может произойти, например, в результате сегрегации по границам зерен атомов примеси, ослабляющей межзеренную связь. На тип разрушения сильнейшее влияние оказывает схема напряженного состояния. Проявлению пластичности способствуют сжимающие напряжения, которые препятствуют раскрытию уже имеющихся микротрещин. Наименее благоприятная для вязкого разрушения, самая «жесткая» схема напряженного состояния трехосное (объемное) растяжение. Оно возникает около вершины острого надреза, где концентрируются напряжения. Поэтому поверхностные надрезы, выточки и царапины способствуют хрупкому разрушению. Самой благоприятной для пластической деформации, наиболее «мягкой» является схема трехосного сжатия. При всестороннем равномерном (гидростатическом) сжатии возможна только упругая деформация и разрушение вообще не происходит СПОСОБЫ БОРЬБЫ С ХЛАДНОЛОМКОСТЬЮ Хрупкое разрушение наиболее опасно в тех случаях, когда оно происходит при достаточно высоких температурах (комнатной и выше). Металлы и сплавы, у которых температура перехода из пластичного состояния в хрупкое во многих случаях лежит выше комнатной, называют хладноломкими. Хладноломкость проблема особенно острая для многих металлов и сплавов с ОЦК решеткой. По Гриффитсу величина напряжения, при котором трещина распространяется как хрупкая, является функцией модуля упругости Е, поверхностной энергии стенок трещины S, работы пластической деформации пл и длины трещины l. Модуль упругости представляет собой константу материала, и его можно существенно изменить только путем сильного легирования. Поверхностная энергия S также трудно поддается регулированию, тем более что 79

80 факторы (в основном легирование), увеличивающие S, часто затрудняет пластическую деформацию, уменьшая пл. остаются два параметра ( пл и l), через которые обычно и воздействуют на величину разрушающего напряжения. Основная опасность хрупкого разрушения в том, что оно идет под действием относительно низких напряжений. Основываясь на критерии Гриффитса и факторах, определяющих температуру перехода из хрупкого состояния в пластичное, можно в общем виде сформулировать принципиальные направления борьбы с хладноломкостью. В каждом конкретном случае они могут быть реализованы за счет: изменения химического состава (очистка от примесей или легирование) и воздействия на структуру через режимы плавки кристаллизации, обработки давлением, термической обработки, спекании и т.д. Конструкционные материалы не должны быть склонны к хрупкому разрушению при температуре их эксплуатации. Поэтому важно выделить способы снижения температуры хрупко-вязкого перехода: 1) уменьшение примесей с помощью различных способов рафинирования при внепечной обработке сталей; 2) измельчение зерна, т.к. снижается концентрация напряжений, уменьшатся длина трещины, из-за большой протяженности границ зерен трещине труднее распространятся; 3) образование в матрице многочисленных дисперсных частиц второй фазы, т.к. приводит к уменьшению длины зародышевой трещины ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ При эксплуатации и даже простом хранении детали из некоторых высокопрочных металлических материалов, например закаленной стали, алюминиевых сплавов на основе систем А1 Zn Mg и А1 Zn Mg Си, ряда титановых сплавов, могут разрушаться под действием низких напряжений без заметной предшествующей макропластической деформации. Такое разрушение через некоторое время после начала действия примерно постоянного напряжения ниже предела текучести (но выше некоторого порогового значения) при температурах, близких к комнатной, называют замедленным (иногда задержанным). Характерной особенностью замедленного разрушения является макрохрупкий излом. Замедленное разрушение может проходить в различных средах (на воздухе, в воде и т. д.). Когда рассматривается замедленное разрушение в коррозионной среде, говорят о коррозионном растрескивании или коррозии под напряжением. Замедленное разрушение, как и разрушение под действием возрастающей нагрузки, состоит из инкубационного периода, во время которого идет подготовка к зарождению трещин, периода докритического роста одной или нескольких трещин и периода закритического развития магистральной тре- 80

81 щины, в результате которого деталь (образец) полностью разрушается. В отличие от разрушения в результате ползучести замедленное разрушение происходит при напряжениях выше некоторого порогового значения S n (рис. 10.4). Оно соответствует так называемому пределу микротекучести, т. е. напряжению, под действием которого начинается микропластическая деформация. Причины зарождения трещин под действием столь низких напряжений различны для разных материалов. Это могут быть и значительные остаточные напряжения, концентрирующиеся у каких-то неоднородностей структуры, водород, процессы распада твердого раствора в результате естественного старения и др. Важной и общей причиной замедленного разрушения является водородное охрупчивание. Замедленное разрушение конструкций инициируется наличием надрезов, трещин, перекосов, а также действием коррозионных и поверхностноактивных сред. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Какие параметры характеризуют вязкость разрушения? 2. Как обозначается коэффициент интенсивности напряжений при плоском деформированном состоянии? 3. Как обозначается коэффициент интенсивности напряжений при плоском напряженном состоянии? 4. Как влияет температура на склонность к хрупкому разрушению? 5. Какая схема напряженного состояния неблагоприятна для вязкого разрушения? 6. Какое разрушение наступит при температурах ниже Т хр? 7. Как влияют факторы, уменьшающие сопротивление отрыву, на температуру хрупко-вязкого перехода? 8. Какие существуют способы снижения температуры хрупкого-вязкого перехода? 9. Является ли температура хрупко-вязкого перехода константой материала? 10. Что называют замедленным разрушением? 11. Какие факторы могут служить причинами замедленного разрушения? S Sn Рис Связь напряжения и времени до разрушения р 81

82 ЛЕКЦИЯ 11 ТВЕРДОСТЬ ПЛАН 11.1 Физический смысл твердости. Пластическая деформация под индентором 11.2 Условность чисел твердости. Связь между твердостью и другими механическими свойствами 11.3 Измерение твердости методом вдавливания и царапания 11.4 Выбор формы, размеров индентора и величины нагрузки 11.1 ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ТВЕРДОСТИ. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПОД ИНДЕНТОРОМ Под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление внедрению в его поверхность другого, более твердого и не получающего, остаточной деформация тела (индентора) определенной формы и размера. Испытания на твердость отличаются простотой и высокой производительностью, отсутствием разрушения образца, легко устанавливаемой связью результатов с данными других испытаний. Измерение твердости самый доступный и распространенный метод механических испытаний материалов, который используется и в исследовательских целях, и как средство контроля во многих областях промышленности. При измерении твердости каждый из методов в образец или деталь под действием определенной нагрузки вдавливается твердый индентор и значение твердости определяется по размерам (глубине или площади) образующего отпечатка. Вследствие контактного характера приложения нагрузки объем материала под индентором испытывает сопротивление окружающих объемов и находится в состоянии всестороннего неравномерного сжатия. Следовательно, коэффициент, «мягкости» напряженного состояния при измерении твердости =(t max /S n max)>2,т.е. больше, чем при осевом сжатии. Это самое мягкое из реализуемых в практике механических испытаний напряженных состояний (за исключением специальных испытаний на сжатие под гидростатическим давлением), поэтому даже очень хрупкие материалы при измерении твердости вдавливанием не разрушаются и дают «пластический» отпечаток. Следует учесть при этом, что внедрение индентора вызывает весьма значительную деформацию. Расчеты и непосредственные измерения показали, что вблизи поверхности отпечатка степень деформации достигает %. В этом свете приведенное выше определение твердости можно уточнить, добавив, что твердость при вдавливании характеризует сопротивление большим пластическим деформациям в условиях объемного неравномерного сжатия. 82

83 11.2 УСЛОВНОСТЬ ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ. СВЯЗЬ МЕЖДУ ТВЕРДОСТЬЮ И ДРУГИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Известно много попыток установить корреляцию между твердостью и другими механическими свойствами. Наиболее обоснованными следует признать те из них, в которых определяется связь между значениями твердости и характеристиками сопротивления большим пластическим деформациям, например, временного сопротивления в при испытании на растяжение. Между твердостью пластичных металлов, определяемой способом вдавливания и другими механическими свойствами (главным образом пределом прочности), существует количественная зависимость. Величина твердости характеризует предел прочности металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению и отнесенной к его первоначальной площади (предел прочности), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливаемого наконечника. Действительно, получены эмпирические формы вида: в =kн, (11.1) где Н твердость, k коэффициент, в который зависит от природы и структурного состояния металла. Пользуясь подобными эмпирическими зависимостями, можно приближенно оценивать прочность металла по результатам измерения поверхности, однако необходимо помнить об их условности, Эти зависимости не учитывают различий в напряженном состоянии при вдавливании индентора и при других способах нагружения. Поэтому, формулы типа (11.1) дают сравнительно точные результаты только в определенном (обычно нешироком) диапазоне структурных состояний и условий испытания. Например, закаленная высокоуглеродная сталь имеет очень высокую твердость, но при испытании на растяжение разрушается хрупко и имеет низкие значения в т.к.. при более жестком нагружении дело не доходит до больших пластических деформаций. Если подвергнуть какую сталь отпуску при более высокой температуре (до определенного предела), то ее прочность в будет повышаться, а твердость Н снижаться. Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушается без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости 83

84 обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определить также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определяемая вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТОДОМ ВДАВЛИВАНИЯ И ЦАРАПАНИЯ Сравнительные методы измерения твердости использовали еще в начале XVIII в., примером может служить Метод Реомюра определение относительной твердости по глубине вмятин, образующихся при сравнивании двух треугольных призм из сопоставляемых материалов. В начале 19 века Моос разработал школу твердости минералов, расположив их в ряд по способности одного наносить царапины на поверхность другого. Эта десятибалльная школа (от талька (номер 1) до алмаза (номер 10)) до сих пор используется в минералогии. С развитием металлургии появились разнообразные методы измерения твердости, которых в настоящее время насчитывается около 30. Существующие методы измерения твердости значительно отличаются один от другого по форме индентора, условиям приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости. Выбор метода определения твердости зависит от различных факторов: величины твердости материала образца (детали), его размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить и т.п. Способы определения твердости, в зависимости от скорости приложения нагрузки, делятся на статические и динамические, а по способу ее приложения - на методы вдавливания и царапания. Наиболее распространенны методы определения твердости, в которых используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца. В зависимости от характера нагружения при измерении твердости материал может испытывать либо только упругую деформацию, либо пластическую (методы вдавливания), либо упругую пластическую деформацию и разрушение (методы царапания). В каждом случае при измерении твердости проявляется различные свойства материалов. Например, при горячих измерениях твердости основную роль играет сопротивление ползучести. При измерениях склерометрическими методами (метод упругого отскока) результат в основном зависит от накопленной при погружении индентора энергии упругой деформации, поэтому материалы с низким модулем упругости имеют более высокие показатели (резина и каучук «тверже» стали). Единственное, что объединяет различные методы измерения твердости это контактный характер приложения нагрузки, локальность нагружения. Измерение твердости при вдавливании в испытуемое тело более твердого тела-наконечника или индентора получило наиболее широкое распро- 84

85 странение, поэтому далее мы рассмотрим только те четыре метода, которые относятся к этой группе и которые стандартизованы в нашей стране. Это методы измерения твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, а также метод измерения микротвердости ВЫБОР ФОРМЫ, РАЗМЕРОВ ИНДЕНТОРА И ВЕЛИЧИНЫ НАГРУЗКИ Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависит от целей испытания, структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объему участку испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например, алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке. При испытании металлов с высокой твердостью, например, закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условия является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать деформацию шарика или скалывания алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, т.к. это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Нагрузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов. Во всех методах испытания на твердость очень важно правильно подготовить поверхность образца. Последний должен по возможности полно характеризовать тот материал, твердость которого необходимо определить. Все поверхностные дефекты (окалина, выбоины, грубые риски и т.д.) должны быть удалены. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. (Для шаровой поверхности в зависимости от радиуса образца можно заранее учесть величину ошибки). Требования к качеству испытуемой поверхности зависят от применяемого индентора и величины прилагаемой нагрузки. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем выше должна быть чистота поверхности и тем более строго нужно следить за тем, чтобы свойства поверхностного слоя не исказились за счет наклепа или нагрева при шлифовании полировке. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонталь- 85

86 ную площадку, а для измерения микротвердости полированную (в этом случае при изготовлении шлифа нельзя допускать наклепа в поверхностном слое). Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т.е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца так же должна быть зачищена, и не иметь окалины, т.к. последняя при погружении образца снимается, что искажает результаты измерения. Нагрузка должна прилагаться по оси вдавливаемого индентора перпендикулярно к испытуемой поверхности. Для соблюдения этого условия плоскость испытуемой поверхности образца должна быть строго параллельна опорной поверхности. Неплоские образцы крепятся на специальных опорных столиках, входящих в комплект твердомеров. Результаты испытаний на твердость зависят от времени приложения нагрузки к вдавливаемому индентору и времени выдержки под нагрузкой. При постоянной нагрузке линейный размер отпечатка d=b. η n, где η- время выдержки индентора под нагрузкой, b и n - коэффициенты, зависящие от свойств материала и величины Р. В зависимости от различают кратковременную и длительную твердость. В стандартных методах определяют кратковременную твердость при комнатной температуре. Здесь обычно для цветных металлов η=30 c и η= 10 c для черных металлов. Длительная твердость, как правило, оценивается при повышенных температурах, где она может использоваться как характеристика жаропрочности материалов. При определении твердости измеряется суммарное сопротивление металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех имеющихся структурных составляющих. Поэтому получающийся после снятия нагрузки отпечаток должен быть по размеру значительно больше размеров зерен отдельных структурных составляющих (диаметр или длина диагонали отпечатков при измерении твердости колеблется от 0,1-0,2 до нескольких мм). Неизбежные различия в структуре разных участков образца приводят к разбросу значений твердости, который тем больше, чем меньше размер отпечатка. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что понимают под термином твердость? 2. В каком напряженном состоянии находится объем материала под индентором? 3. Почему даже очень хрупкие материалы при измерении твердости вдавливанием не разрушаются? 4. Почему методы измерения твердости являются наиболее распространенными? 5. Какая существует связь между твердостью и другими механическими свойствами? 86

87 6. Наблюдается ли связь в =kн для хрупких материалов? 7. Какие существуют методы определения твердости, в зависимости от скорости приложения нагрузки? 8. Какие существуют методы определения твердости, в зависимости от способа приложения нагрузки? 9. В каких методах определения твердости, используется статическое вдавливание индентора нормально поверхности образца? 10. От чего зависит выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки? 11. Какие требования предъявляются к качеству испытуемой поверхности? 12. Как различают твердость в зависимости от времени выдержки индентора под нагрузкой? ЛЕКЦИЯ 12 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ ПЛАН 12.1 Твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу. Микротвердость 12.2 Динамические методы измерения твердости. Методика измерения. Расчет чисел твердости 12.3 Сопоставление шкал твердости. Проверка твердомеров 12.1 ТВЕРДОСТЬ ПО БРИНЕЛЛЮ, РОКВЕЛЛУ, ВИККЕРСУ. МИКРОТВЕРДОСТЬ Метод измерения твердости по Бринеллю Метод измерения твердости по Бринеллю был предложен в 1900 г.; с тех пор он широко используется и носит имя автора. Метод заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром D в поверхность испытуемого образца (изделия) под действием нагрузки Р, приложенной в течение определенного времени. После удаления нагрузки производится измерение диаметра отпечатка d, остающегося на поверхности образца. В сечении, проходящем через линию приложения нагрузки, получается картина, изображенная на рис Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F. 87

88 D d Рис Схема определения твердости по Бринеллю HB P F P 2P Dt D D D Считают, что поверхность отпечатка представляет собой сегмент (шаровой) вдавливаемого шарика, поэтому F равна произведению большой окружности шарика на максимальную глубину отпечатка h. Пренебрегая образованием наплыва (или, наоборот, вмятины) около краев отпечатка, можно выразить его глубину h через диаметры шарика D и отпечатка d: h D D d (12.1) 2 2 d 2 (12.2) При таком вычислении твердости, как видно, принимается, что после удаления нагрузки отпечаток имеет форму сферического сегмента с радиусом кривизны D/2. Это вносит определенную ошибку, так как глубина отпечатка уменьшается в результате его упругого восстановления. Закономерности упругой и пластической деформации при вдавливании шарика и упругого восстановления отпечатка, а также условия подобия испытаний при использовании шариков разного диаметра детально исследованы. Твердость по Бринеллю необходимо определять при постоянном значении P/D 2, что обеспечивает (для данного материала) выполнение условий подобия деформации, а диаметры отпечатков по ГОСТ должны находиться в пределах 0,2D< d <0,6D. Таким образом, твердость по Бринеллю в общем случае зависит от нагрузки на шарик, так как площадь поверхности отпечатка изменяется при данном D непропорционально P. Физически твердость НВ измеряет некоторое условное среднее сопротивление деформации нагрузку P относят к площади поверхности отпечатка. Поскольку, радиальные составляющие напряжения при вдавливании шарика взаимно уравновешиваются (отпечаток симметричен относительно линии действия нагрузки), правильнее было бы относить нагрузку P не к площади поверхности отпечатка, а к площади проекции его на поверхность. При измерении твердости по Бринеллю применяют инденторы диаметром 2,5; 5,0 или 10,0 мм, изготовленные из термически обработанной высокоуглеродистой стали с чистотой поверхности по 12-му классу (ГОСТ ). Инденторы изготавливают из стали с твердостью не менее 8500 МПа. Методом Бринелля можно испытывать материалы с твердостью от НВ 8 до НВ 450. При большей твердости образца шарик-индентор остаточно деформируется на величину, превышающую стандартизованный допуск. 88

89 Поверхность образца или испытуемого изделия должна быть ровной, гладкой и свободной от окисной пленки, так чтобы с помощью отсчетного микроскопа можно было измерить диаметр отпечатка с необходимой точностью При подготовке поверхности образца необходимо принять меры, исключающие изменение свойств металла из-за нагрева или наклепа. Обработку поверхности образца (изделия) можно проводить шлифовкой или мелким напильником. При определении твердости шариком диаметром 1 мм поверхность образца должна быть отполирована. Толщину образца (изделия), подвергаемого испытанию, выбирают таким образом, чтобы на противоположной стороне образца после испытания не было заметно следов деформации Нагрузку необходимо прикладывать плавно, чтобы устранить динамические эффекты. Образцы выдерживают под нагрузкой определенное время, так как при испытании возможно проявление эффектов ползучести, особенно в случае цветных металлов с низкой твердостью. Выбор диаметра шарика, нагрузки и времени выдержки производится по ГОСТ При этом необходимо учитывать, что минимальная толщина испытуемого образца (за исключением специально оговоренных случаев) должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка; При меньшей толщине возможно продавливание образца насквозь. Чтобы исключить влияние пластически деформированной зоны соседнего отпечатка, необходимо выполнять условие R 4d, где R расстояние между центрами соседних отпечатков. Расстояние от центра отпечатка до боковой поверхности образца должно превышать 2,5d. Если указанные условия нельзя выполнить, необходимо переходить к испытанию шариком меньшего диаметра (в пределах, оговоренных в ГОСТ ) и соответственно изменить нагрузку для соблюдения P/D 2 = const Диаметр каждого отпечатка измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях и определяют как среднее арифметическое этих двух измерений. Далее находят число твердости и дальнейшее усреднение результатов нескольких измерений твердости ведут уже по значениям HB. Число твердости можно рассчитать по формуле 12.2 или найти по таблицам, в которых для стандартных P и D заранее вычислены значения HB=f(d). Число твердости по Бринеллю имеет размерность напряжения (кгс/мм 2 ), но его обычно записывают без указания размерности. При измерении шариком диаметром 10 мм с выдержкой 10 с под нагрузкой 3000 кг число твердости просто сопровождают символом HB. Запись HB 400 означает, что при указанных условиях измерения твердость по Бринеллю составляет 400 кгс/мм 2. При других условиях измерения к символу HB добавляется индекс, в котором последовательно указывают диаметр шарика, нагрузку и продолжительность выдержки. Например, запись HB 5/250/ означает, что твердость по Бринеллю при измерении шариком диаметром 5 мм с выдержкой 30 с под нагрузкой 250 кг составляет

90 кгс/мм 2. Верхний предел измерения твердости по Бринеллю HB 450; при измерении более твердых материалов происходят недопустимые деформации шарика Метод измерения твердости по Роквеллу Метод измерения твердости по Роквеллу был предложен в 1920 году и в настоящее время является наиболее распространенным методом. Это объясняется значительным упрощением процедуры определения твердости: при использовании приборов Роквелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после удаления основной нагрузки. а б Рис Схема определения твердости по Роквеллу: а индентор алмазный конус; б индентор стальной шарик Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок предварительной Р 0 и основной P 1, которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р= Р 0 + Р 1. После выдержки в течение нескольких секунд, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предварительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно деление шкалы соответствует, таким образом, перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости. На рис представлена схема измерения твердости. Для измерения твердости по Роквеллу используют в качестве индентора стальной шарик диаметром 1,588 мм, либо алмазный конус с углом при вершине и радиусом закругления вершины 0,2 мм. 90

91 При измерении алмазным конусом используется шкала C, имеющая 100 делений, твердость в этом случае обозначается HRC и определяется формулой HRC t 0,2 ( H h) H h 100 0,002 0,002 0,002 (12.3) Таким образом, определение твердости по Роквеллу фактически заключается в измерении индикатором величины H-h, т.е. разности глубин погружения индентора (находящегося под действием предварительной нагрузки P 0 ) после снятия основной нагрузки и до ее приложения. По шкале C обычно измеряют твердость закаленных изделий. При измерении стальным шариком используется шкала B, имеющая 130 делений (считая от того же нуля), твердость обозначается HRB и определяется формулой HRB t1 0,26 ( H h) H h 130 0,002 0,002 0,002 (12.4) По шкале B производят определение твердости при ее умеренных значениях на изделиях малой толщины. При измерении твердости тонких изделий или тонких слоев, а также твердых сплавов используют третью шкалу A. Эта шкала полностью совпадает со шкалой C, но измерения проводятся при меньшей общей нагрузки, что уменьшает глубину проникновения наконечника и в случае высокой твердости испытуемого образца предохраняет алмазный индентор от повреждения. Измерения по шкале С проводят, последовательно прикладывая предварительную нагрузку P 0 =10 кгс (9807 Н) и основную P 1 =140 кгс (1373 Н). Независимо от типа индентора и шкалы индикатора (алмазный конус шкалы А и С или стальной шарик шкалы B) предварительная нагрузка равна 10 кгс (98,07 Н). После приложения нагрузки, вызывающей погружение индентора в образец на глубину h, основную стрелку индикатора устанавливают на нуль (общий для всех шкал) и лишь затем дают основную нагрузку. После удаления основной нагрузки на соответствующей шкале считывают число твердости. Твердость по Роквеллу является отвлеченным числом (за его меру принята 0,002 мм), которое указывается непосредственно за символом, обозначающим метод испытания и использованную шкалу: HRA 80, HRB 90, HRC 50. Отпечатки на поверхности деталей имеют небольшие размеры и практически безвредны при дальнейшей эксплуатации изделий. Для определения твердости по Роквеллу тонких образцов или слоев используют специальный прибор Супер-Роквелл. Он отличается меньшей величиной прилагаемой нагрузки и более точным индикатором. По ГОСТ на этом приборе измеряют числа твердости HRN (индентор алмазный конус) и HRT (индентор стальной шарик, нагрузка). Одно деление индикатора соответствует здесь глубине вдавливания 0,001 мм. Супер-Роквелл используют для оценки твердости тонких листов, очень малых образцов, поверхност- 91

92 ных слоев, изделий, которые могут продавливаться насквозь или разрушаться под действием большой нагрузки. Поверхность образцов или изделий для измерений твердости по Роквеллу должна быть очищена от окалины и других посторонних веществ и не иметь трещин, выбоин и т.п. Образцы для замера твердости HR должны быть, как правило, отполированы и их поверхность свободна от наклепа. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков должно быть не менее четырех диаметров отпечатка (но не менее 2 мм). Расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 2,5 диаметра отпечатка (но не менее 1 мм) Метод измерения твердости по Виккерсу Метод измерения по Виккерсу был предложен в 1925 году; он получил свое название по наименованию фирмы, создавшей первый соответствующий прибор. Метод заключается во вдавливании в поверхность испытуемого образца (изделия) четырехгранной алмазной призмы с квадратным основанием (рис. 12.3). После приложения определенной нагрузки Р = 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение определенного времени ( для черных металлов с, для цветных 30 2 с) нагрузку снимают и измеряют обе диагонали отпечатка. Число твердости по Виккерсу HV определяется как частное от деления нагрузки на площадь боковой поверхности отпечатка, которую легко выразить через длину диагонали. Угол α=136 0 стандартизован (ГОСТ ), Р HV= 1,8544 2, (12.5) d 2 d 1 Рис Вид индентора и отпечатка при испытании по Виккерсу d где Р- нагрузка, Н d- среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм. Метод измерения по Виккерсу имеет принципиальное преимущество перед методом Бринелля. Для данного материала и данной пирамиды все отпечатки подобны, не зависимо от глубины погружения и их площадь пропорциональна d 2. Следовательно, твердость, пропорциональная P/d 2, не зависит от нагрузки. Число твердости по Виккерсу приводится без указания размерности. Его сопровождают символом HV, который сопровождают индексами, соответствующими величине нагрузки и времени выдержанной под нагрузкой, если оно отличается от стандартного. Стандартное время выдержки под нагрузкой должно составлять секунд. Пример обозначения твердости по Виккерсу при стандартной выдержки под нагрузкой 5 кгс составляет 500 единиц: HV Или HV 5/ означает тоже самое число твердости, но по- 92

93 лученное при нестандартной выдержке под нагрузкой 30 секунд. Для получения наиболее точного результата измерения твердости нагрузка должна быть наиболее возможной, причем на обратной стороне образца не должно быть заметно следов деформации. Число твердости после измерения диагонали отпечатка находят по таблицам, заранее рассчитанным на основании формулы (12.5). Значения всех твердостей по Виккерсу (для различных нагрузок) можно найти в ГОСТ Микротвердость (ГОСТ ) В рассмотренных методах измерения твердости размер отпечатка значительно больше размера отдельных структурных составляющих, Например, при измерении твердости доэвтектического сплава под индентор попадают и первичные кристаллы и эвтектика. Для измерения твердости отдельных структурных составляющих был предложен метод микротвердости, являющийся разновидностью метода Виккерса и отличающийся от последнего меньшей нагрузкой на алмазную пирамиду (Р = гс). Нагрузку подбирают так, чтобы размер отпечатка был меньше размера соответствующей структурной составляющей. Образцом для измерения микротвердости является микрошлиф, и нагружение производят под специальным микроскопом, чтобы вдавливать индентор в выбранный микроучасток. Измерение отпечатка микронных размеров также производят под микроскопом ДИНАМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ. РАСЧЕТ ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ Помимо методов определения твердости при статическом вдавливании индентора, ограниченно применяют также методы царапания и динамические способы оценки твердости. Метод царапания состоит в нанесении царапины на поверхности образца алмазным или другим недеформирующимся индентором, находящимся под постоянной нагрузкой. Метод не стандартизован и на практике используют различные критерии твердости царапанием Н ц. Часто за Н ц принимают одну из следующих характеристик: 1) величину нагрузки Р, при которой получается царапина заданной ширины (обычно b = 10 мкм); 2) ширину царапины при заданной нагрузке; 3) величину, обратно пропорциональную ширине или квадрату ширины царапины при определенной нагрузке, например Н ц =10000/b 2 при Р=0,ЗН. Наиболее правильно, по-видимому, оценивать число твердости царапанием 93

94 P b / 4 как отношение вертикальной нагрузки Р к проекции царапины на поверхно- 2 сти образца: Н ц 4P b (12.6) 2 / В этом случае единица измерения Н ц получается такой же, как и других чисел твердости, определяемых при вдавливании индентора. В качестве индентора используют либо конус с углом при вершине 90 (реже 120 ), либо трех- или четырехгранную пирамиду. Образцы перед испытанием полируют. Для измерения ширины царапины, не превышающей обычно несколько десятков микрометров, применяют измерительный микроскоп. Твердость методом царапания определяют в условиях местного разрушения металла, а не в условиях упругого или пластического деформирования. При образовании царапины металл сначала пластически деформируется, а затем, когда напряжения достигают величины, соответствующей сопротивлению разрушению (путем среза), происходит разрыв. Так как для одного и того же металла истинное сопротивление разрыву S k практически не зависит от степени предварительного наклепа, величина Н ц не связана со способом подготовки поверхности. Величина Н ц характеризует также износостойкость материала, его обрабатываемость резанием. Из динамических методов определения твердости наиболее известен метод упругого отскока бойка (твердость по Шору, ГОСТ ). Твердость определяется при помощи бойка с алмазным наконечником, который падает на поверхность образца с фиксированной высоты. Энергия бойка расходуется на упругую и пластическую деформацию в месте удара и на последующее поднятие бойка. Чем больше высота подъема бойка после удара, тем, следовательно, меньшая энергия израсходована на деформацию образца и тем больше должна быть его твердость. Число твердости по Шору HSD измеряют в условных единицах, соответствующих высоте подъема бойка, причем HSD = 100 принято для закаленной на мартенсит эвтектоидной инструментальной стали. При комнатной температуре метод Шора используют для сравнения твердых металлических сплавов с близкими упругими характеристиками. Кратковременность соприкосновения бойка с образцом и простота метода делают его перспективным для оценки твердости при высоких температурах (>1400К), когда существующие материалы инденторов уже не позволяют проводить статические испытания. Из других динамических методов следует отметить способ ориентировочного определения твердости при помощи переносного прибора путем динамического вдавливания шарового или конического индентора (для стали этот метод стандартизован, ГОСТ ). Принцип действия прибора сводится к тому, что шарик под действием наносимого вручную удара одновременно вдавливается в испытуемую поверхность и эталонный образец с известной твердостью. Число сравнительной твердости 94

95 НВ Д = D D dэ / D D d НВ Э ШЭ / ШО (12.7) где НВ Д число твердости эталона по Бринеллю; d, d Э диаметр отпечатка на поверхности испытуемого материала и эталона; D диаметр шарика, обычно 10 мм; η ШЭ и η ШО динамические коэффициенты твердости эталона и образца при ударном внедрении шарика со скоростью 0,75 2 м/с. Результаты испытания получаются тем точнее, чем ближе по твердости эталон и образец. Метод используют для контроля крупногабаритных изделий и деталей, установка которых на специальном приборе затруднительна СОПОСТАВЛЕНИЕ ШКАЛ ТВЕРДОСТИ. ПРОВЕРКА ТВЕРДОМЕРОВ Наличие разнообразных методов измерения твердости вызывает в ряде случаев необходимость взаимного перевода чисел твердости. Общий точный метод перевода одних величин твердости в другие отсутствует, также как отсутствуют и универсальные физически обоснованные методы определения других механических характеристик по значениям твердости. В связи с этим для взаимного перевода чисел твердости можно пользоваться лишь соответствующими эмпирическими соотношениями и только в тех условиях, для которых эти соотношения были найдены. Числа твердости, полученные разными методами статического вдавливания индентора, связаны между собой. Зная, например, значение твердости по Бринеллю, можно перевести его с некоторым приближением в число твердости по Виккерсу или Роквеллу. Для этого существуют специальные таблицы перевода чисел твердости. Числа твердости по разным методам можно определить на универсальном твердомере М4U, позволяющем измерить твердость по Бринеллю, по Виккерсу или Роквеллу. Для перехода требуется смена индентора и выбор нужного метода измерения и соответствующих параметров на экране прибора. Также прибор позволяет при необходимости переводить полученное значение в другие числа твердости. Проверка правильности показаний твердомера производится с помощью контрольных стальных плиток с известной твердостью. На таких плитках делают не менее трех отпечатков, находят значения твердости и усредняют их. Если полученное значение твердости отличается от истинной твердости контрольной плитки более чем на 4-5 %, прибор считается не оттарированным. В этом случае необходимо проверить величину нагрузки на индентор с помощью образцового динамометра 3-го разряда типа ДОСМ. Динамометр устанавливается вместо образца, прибор включается как при определении твердости. Погрешность нагрузки должна быть + 1 %. 95

96 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1.В чем заключается метод измерения твердости по Бринеллю? 2. Обозначение и размерность твердости по Бринеллю? 3. Какие условия должны выполняться при измерении твердости по Бринеллю для сопоставимости результатов? 4. Какие материалы можно испытывать методом Бринелля? 5. Что является индентором при измерении твердости по Бринеллю? 6. Каким должно быть расстояние между соседними отпечатками и от боковой поверхности образца? 7. В чем заключается метод измерения твердости по Роквеллу? 8. Какие инденторы используются при измерении твердости по Роквеллу? 9. Какие существуют шкалы при измерении твердости по Роквеллу, какие им соответствуют инденторы и нагрузки? 10. В чем преимущества метода Роквелла по сравнению с другими? 11. Что принимают за единицу твердости по Роквеллу? 12. В чем заключается метод измерения твердости по Виккерсу? 13. Какой индентор используют при измерении твердости по Виккерсу? 14. Какие существуют динамические методы измерения твердости? 15. Как проверяют правильность показаний твердомеров? РАЗДЕЛ 4 СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ. ИСПЫТАНИЕ НА РАСТЯЖЕНИЕ ПЛАН 13.1 Испытания на растяжение. Образцы и испытательные машины 13.2 Методика проведения испытаний и расчет основных свойств. Характеристики сопротивления малым деформациям: пределы пропорциональности, упругости и текучести 13.3 Теория резкой текучести. Зависимость предела текучести от размера зерна 13.1 ИСПЫТАНИЯ НА РАСТЯЖЕНИЕ. ОБРАЗЦЫ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ Металлические материалы в конструкциях во многих случаях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания. Статическими называют такие испытания, при которых материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей силы. 96

97 Испытания на одноосное растяжение наиболее широко используемый вид испытания для оценки механических свойств металлов и сплавов. Одноосное растяжение сравнительно легко подвергается анализу, позволяет по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик металла, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов. Методы испытания на растяжение стандартизированы. Имеются стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ ), при повышенных до С (ГОСТ ) и пониженных до минус С (ГОСТ ) температурах. Испытания на одноосное растяжение является основным источником информации о характеристиках прочности и пластичности металлических материалов. Используют и цилиндрические и плоские образцы (рис. 13.1), головки которых вставляют в захваты разрывной машины. Чаще всего применяют цилиндрические образцы. Плоские образцы применяют главным образом для оценки свойств листового материала. а б Рис Образцы для испытания на растяжение: а пропорциональный плоский (тип 1); b пропорциональный цилиндрический (тип 3) l - рабочая длина образцов, l 0 - начальная расчетная длина, b 0 - начальная ширина образца, а 0 начальная толщина образца, d 0 - начальный диаметр рабочей части Цилиндрический образец характеризуется диаметром рабочей части d о, длиной рабочей части l, начальной расчетной длиной l о. Расчетную длину l о, которая меньше l, выбирают так, чтобы исключить влияние головок образца на результаты испытаний. Размеры образца не влияют на результат определения относительного удлинения после разрыва, если соблюдается условие геометрического подобия образцов: lo / Fo const, где F o - площадь поперечного сечения в рабочей 97

98 части образца. В соответствие с ГОСТом lo 11,3 Fo и lo 5,65 Fo, т.е. соответственно lo 10do и lo 5do (так называемые десятикратные и пятикратные образцы). Для литых сплавов допускается lo 2,82 Fo, т.е. lo 2,5d o. Образцы вытачивают из вырезанных из тех участков изделия, свойства которых контролируются. При растяжении образца автоматически записывается зависимость осевой растягивающей нагрузки Р (силы сопротивления образца деформации) от абсолютного удлинения (рис ). Кривые Р- l называют первичными диаграммами растяжения или просто кривыми растяжения. Диаграмма первого типа (I) характерна для образцов, разрушающихся без заметной пластической деформации. Диаграмма типа II получается при растяжении образцов, равномерно деформирующихся вплоть до разрушения. Диаграмма III типа характерна для образцов, разрушающихся после образования шейки в результате сосредоточенной деформации. Р I II III Р Р в в в к Δ l Δ l Δ l Рис Типы первичных кривых растяжение В зависимости от типа диаграммы меняется набор характеристик, которые можно по ней рассчитывать, а также их физический смысл. На диаграмме III типа (рис. 13.3) нанесены характерные точки, по которым рассчитывают прочностные характеристики. На диаграммах I и II типа могут быть нанесены не все эти точки. В большинстве используемых машин масштаб по оси удлинения, прямо связан со скоростью перемещения подвижного захвата машины. Это означает, что удлинение образца принимается равным перемещению подвижного захвата. Но величина удлинения должна определяться только на расчетной длине образца. Перемещение же захвата соответствует суммарному удлинению, включающему деформацию зажимов машины, а также упругие деформации других ее частей. Величина всех этих деформаций определяет жест- 98

99 кость испытательной машины очень важную ее характеристику, влияющую на определяемые на ней механические свойства. По ГОСТ жесткость испытательной машины определяется как величина, обратная податливости К, равной перемещению подвижного захвата на единицу приложенной силы Р. Перемещение подвижного захвата l м включает суммарную упругую деформацию нагруженных частей машины. Таким образом, жесткость машины, МН/м, равна 1 P. Чем она больше, тем меньше упругая деформация частей машины при заданной нагрузке. Абсолютно жестких машин, когда l м = 0, а 1 =, не бывает. Величина 1 в современных испытательных машинах колеблется от K десятков до сотен МН/м. Зависит она в основном от упругих деформаций в силоизмерительном механизме, которые вносят основной вклад в l м (деформации станины, захватов и других частей машин обычно незначительны). Поэтому максимальную жесткость имеют машины с электротензометрическим силоизмерителем, а минимальную с рычажно-маятниковым. По определенным точкам на кривой растяжения рассчитывают стандартные характеристики сопротивления материала деформации и разрушению, причем выражают их через условные растягивающие напряжения F o P ( в мегапаскалях). Эти напряжения условны в том смысле, что нагрузку делят не на истинную площадь поперечного сечения образца в тот момент, когда действует нагрузка Р, а на начальную площадь поперечного сечения F о. Кривые Р- l одновременно являются и кривыми - l, только с другим масштабом по оси ординат МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ. ХАРАКТЕРИСТИКИ СОПРОТИВЛЕНИЯ МАЛЫМ ДЕФОРМАЦИЯМ: ПРЕДЕЛЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ, УПРУГОСТИ И ТЕКУЧЕСТИ Рассмотрим механические свойства, определяемые в испытаниях на растяжение (рис. 13.3). Предел пропорциональности пц Рпц Fo - это максимальное напряжение, при котором еще выполняется закон Гука. Нагрузка P пц соответствует точке p перехода от прямолинейного к криволинейному участку на диаграмме растяжения. Так как такой переход очень плавный, то определяют условный предел пропорциональности, соответствующий точке, в которой отклонение от линейного закона изменения нагрузки достигает заданной величины: тангенс угла наклона касательной в этой точке на 50 % больше, чем на начальном прямолинейном участке. Величина пц в инженерных расчетах указывает напряжение, до которого конструкция может работать без остаточных деформаций. K l м K 99

100 а б Рис Кривая растяжения (I тип) с характерными точками, по которым рассчитываются прочностные характеристики: а диаграмма без площадки текучести; б диаграмма с площадкой и «зубом» текучести Предел упругости 0,05 P0,05 Fo - это напряжение, при котором остаточное удлинение составляет 0,05 %. Он характеризует сопротивление пластической деформации, которая обеспечивается движением ограниченного числа наиболее подвижных дислокаций. Технический смысл предела упругости состоит в том, что он характеризует предельное напряжение, которое допусти при работе упругих элементов. Допуск на остаточную деформацию может быть более жестким, например, 0,005% (предел упругости 0, 005). Пределы пропорциональности и упругости очень близки и практически могут совпадать. Предел текучести 0,2 P0,2 Fo - это напряжение, при котором остаточная деформация составляет 0,2 % происходит путем массового скольжения 100

101 дислокаций. Предел текучести 0, 2, характеризующий сопротивление малым пластическим деформациям, широко используют в инженерных расчетах конструкций, так как одно из главных требований к нагруженным деталям состоит в том, чтобы остаточные деформации были не больше определенной величины. Условные пределы пропорциональности, упругости и текучести характеризуют сопротивление материала малым деформациям. Величина их незначительно отличается от истинных напряжений, отвечающих соответствующим допускам по деформации. пц для моно- и поликристалла, гомогенного и гетерогенного сплава это всегда максимальное напряжение, до которого при растяжении соблюдается закон Гука и макропластическая деформация не наблюдается. До достижения пц в отдельных зернах поликристаллического образца (при их благоприятной ориентировки, наличии концентраторов напряжений) может начаться пластическая деформация, которая однако, не приведет к заметному удлинению всего образца, пока деформация не охватит большинство зерен. Начальным стадиям макроудлинения образца соответствует предел упругости. Плавный переход от упругой к пластической деформации (без зуба и площадки текучести) наблюдается при растяжении таких металлов и сплавов, в которых имеется достаточно большое количество подвижных, незакрепленных дислокаций в исходном состоянии (до начала испытания). Напряжение, необходимое для начала пластической деформации поликристаллов этих материалов, оцениваемое через условный предел текучести, определяется силами сопротивления движению дислокаций внутри зерен, легкостью передачи деформации через их границы и размером зерен ТЕОРИЯ РЕЗКОЙ ТЕКУЧЕСТИ. ЗАВИСИМОСТЬ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ ОТ РАЗМЕРА ЗЕРНА Малоуглеродистые стали, многие металлы и сплавы, особенно с ОЦК решеткой, характеризуются наличием на кривой растяжения зуба и площадки текучести или только площадки текучести (см. Рис б). Образование зуба и площадки текучести называют явлением резкой текучести. Площадка текучести означает пластическую деформацию при постоянном напряжении, называемом физическим пределом текучести т Рт Fo. Деформация на площадке текучести может достигать 1 %. Напряжение тв Ртв Fo, рассчитанное по усилию, соответствующему вершине зуба текучести, называют верхним пределом текучести. Одна из возможных причин появления зуба и площадки текучести в ОЦК металлах следующая. Дислокации в исходном образце закреплены примесными атмосферами Коттрелла, в частности, атомами углерода в стали, и 101

102 вплоть до верхнего предела текучести возможна только упругая деформация. При напряжении тв часть дислокаций отрывается от примесных атмосфер и пластическая деформация развивается при меньшем напряжении, некоторое время не требуя его повышения, при этом возникает площадка на кривой растяжения. Течение при постоянном напряжении т заканчивается, когда взаимодействие движущихся дислокаций приводит к деформационному упрочнению. Во время удлинения, соответствующего площадке, образец на рабочей длине покрывается характерными полосами Чернова-Людерса, в которых локализуется деформация. Поэтому величину удлинения на площадке текучести (0,1-1 %) часто называют деформацией Чернова-Людерса. С уменьшением размера зерен (или субзерен) d увеличивается число барьеров на пути скользящих дислокаций и физический предел текучести 1 2 возрастает в соответствии с соотношением Холла-Петча: т о k y d, где o и k y - константы. Точно также влияет размер зерна на величину 0, 2. Константа o рассматривается как напряжение, необходимое для перемещения дислокаций внутри зерна, а слагаемое k y d - как напряжение, 1 2 требующееся для приведения в действие дислокационных источников в соседних зернах. Величина o зависит от силы Пайерлса-Набарро и препятствий скольжению дислокаций. Таким образом, o - «напряжение трения» компенсирует те силы, которые приходится преодолевать дислокациям при своем перемещении в внутри зерна. Параметр k y характеризует наклон пря- 2 мой т d 1. По Коттреллу: k y d ( 2l ), где d - напряжение, необходимое для разблокировки дислокаций в соседнем зерне (например, отрыва от примесной атмосферы); l расстояние от границы зерна до ближайшего дислокационного источника. Таким образом, k y определяет трудность передачи деформации от зерна к зерну. 1 2 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Почему испытания на одноосное растяжение широко используются для оценки механических свойств металлов и сплавов? 2. Какие образцы применяются при испытании на растяжение? 3. Какими параметрами характеризуются образцы для испытаний на растяжение? 4. Что называют первичными диаграммами растяжения? 5. Какие существуют типы кривых растяжения? 6. Какие характеристики определяют по испытаниям на растяжение? 7. Что называется жесткостью испытательной машины? 8. Что называют условным пределом пропорциональности? 9. Что называют условным пределом упругости? 102

103 10. Что называют условным пределом текучести? 11. Какие свойства характеризуют сопротивление материала малым деформациям? 12. Что называют явлением резкой текучести? 13. Что называют физическим пределом текучести? 14. Что называют верхним пределом текучести? 15. Как связан физический предел текучести с размером зерна? ЛЕКЦИЯ 14 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ, ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЯЗКОСТИ ПЛАН 14.1 Характеристики предельной прочности, пластичности и вязкости. Равномерная и сосредоточенная деформация при одноосном растяжении 14.2 Влияние состава и структуры на механические свойства при статических испытаниях гладких образцов 14.1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ, ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЯЗКОСТИ Временное сопротивление в Pmax Fo - это напряжение, соответствующее максимальной нагрузке на кривой растяжения. Точка в на рис соответствует окончанию равномерной пластической деформации и началу образования шейки. Резкое уменьшение поперечного сечения в шейке приводит к снижению сопротивления образца растяжению. Локализация деформации заканчивается разрушением образца в его наименьшем сечении. Хотя временное сопротивление в литературе часто называют пределом прочности, но таковым, т.е. характеристикой предельного состояния непосредственно перед разрушением, оно далеко не всегда является. В случае образования шейки разрушение наступает не при максимальной нагрузке P max, а в точке к, которой соответствует меньшая нагрузка P к. В этом случае характеристикой предельного состояния служит истинное сопротивление разрыву Sк Рк Fк, где F к - поперечное сечение образца в месте разрыва. Следовательно, в отличие от других рассмотренных выше прочностных свойств, величина S к является не условным, а истинным напряжением при разрушении. Для материалов, разрушающихся с образованием шейки в - это условное напряжение, характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации. Предельную прочность таких материалов в не определяет, так как значительно меньше истинного напряжения S в, действующего в образце в момент достижения точки в. Но S в также не может служить характеристикой предельной прочности, поскольку за точкой в на диаграмме растяжения истинное сопротивление деформации продолжает расти, хотя усилие 103

104 падает. Расчет S в предполагает, что в момент разрушения в шейке действует схема одноосного растяжения, хотя на самом деле там возникает объемное напряженное состояние, которое вообще нельзя охарактеризовать одним нормальным напряжением. Поэтому Sк определяет лишь некое среднее продольное напряжение в момент разрушения. S, ζ S к Если для каждого текущего значения нагрузки P i на первичной кривой к / растяжения рассчитать значения условного ( P i Fo ) и истинного растягивающе- S ζ в ζ го напряжения ( P i Fi ), то можно построить графики зависимости условных к и истинных напряжений от относительного удлинения ( l l o ) (рис. 14.1). На начальном участке, где текущая площадь поперечного сечения P i мало отличается от начальной F o, рассматриваемые кривые практически совпадают, e а затем по мере увеличения разности Fo Fi они все больше расходятся. Особенно следует отметить то, Рис Зависимость условного и истинного S растягивающего напряжения что истинное напряжение интенсивно от относительного удлинения растет, тогда когда нагрузка (и условное напряжение) падает. Обусловлено это тем, что при локализации деформации в виде шейки сильное увеличение плотности дислокации приводит к большому деформационному упрочнению, и величина S к может значительно превышать величину в. Падение нагрузки указывает на то, что уменьшение живого сечения в период образования шейки перекрывает влияние деформационного упрочнения. Участок истинной кривой напряжение-деформация от предела упругости до максимума нагрузки описывается эмпирическим соотношением, предложенным Холломоном (формула 14.1): n S K e (14.1) где S истинное напряжение; е истинная пластическая деформация; n показатель деформационного упрочнения; К постоянная для данного материала величина, определяемая как истинное напряжение при значении истинной деформации, равном 1. Величина показателя деформационного упрочнения характеризует способность материала сопротивляться наращиванию деформации. В предельных случаях показатель n может быть либо равен 1, что соответствует случаю идеально упругого поведения материала, либо равным нулю для случая идеально пластичного поведения материала. 104

105 Данные для расчета показателя деформационного упрочнения можно получить в графической форме, если отложить по осям напряжений и деформаций оба параметра в логарифмическом масштабе. Если уравнение (14.1) окажется абсолютно корректным для данного случая деформирования, то на графике получится прямая линия, тангенс угла наклона которой окажется равным n. В общем случае показатель увеличивается с уменьшением уровня исходной прочности и с уменьшением подвижности (закреплением) дислокаций в кристаллической решетке по мере нарастания деформации. Характеристики пластичности при растяжении относительное удлинение после разрыва и относительное сужение после разрыва ψ. δ = l K l0 100 % (14.2) l 0 где l к конечная длина образца, мм l 0 начальная расчетная длина образца, мм ψ = F 0 FK 100 % (14.3) F где F 0 начальная площадь поперечного сечения, мм 2 F к площадь поперечного сечения в месте разрыва, мм 2. Существенный недостаток относительного удлинения как характеристики пластичности заключается в том, что она зависит от выбранного значения начальной расчетной длины l o. Дело в том, что при наличии шейки абсолютное удлинение образца складывается из двух частей: равномерного удлинения до момента образования шейки и сосредоточенного удлинения, связанного с шейкой. Чем меньше l o, тем большая доля от общего абсолютного удлинения образца приходится на сосредоточенное удлинение и в результате возрастает. Поэтому в индексе и указывают кратность испытанного образца: 10, 5, 2,5. При испытании пяти- и десятикратных образцов у большинства материалов вклад сосредоточенного удлинения в общее удлинение сравнительно мал, поэтому величина характеризует в основном способность к равномерной пластической деформации. Величина ψ, наоборот, является показателем главным образом сосредоточенной деформации и более полно характеризует способность материала к предельной деформации до разрушения. Пластическая деформация образца, в частности при растяжении, требует затраты определенной работы. Эта работа частично рассеивается образцом в виде тепла (образец слегка нагревается при деформации), но большая ее часть остается в виде запасенной, накопленной энергии, связанной главным образом с дислокациями. Полная работа деформации А при растяжении определяется площадью между первичной кривой растяжения и осью деформаций: А 0 l K 0 Pdl 105

106 Кроме полной, определяют удельную работу деформации (вязкость), т. е. работу, отнесенную к единице объема расчетной части образца: a=a/v= (PΔl)/Fl=Se } где P и S усредненные величины. Отсюда следует, что величина а определяется как площадь под кривой истинных напряжений: a l K 0 Sde 14.2 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ГЛАДКИХ ОБРАЗЦОВ При легировании металлов растворимыми добавками повышаются все прочностные характеристики. В частности, предел текучести поликристаллических сплавов твердых растворов замещения часто прямо пропорционален концентрации легирующего элемента до % (ат.). На рис показаны зависимости условного предела текучести ζ 1,0 твердых растворов на основе меди от содержания (С) добавки. Видно, что разные легирующие элементы оказывают различное упрочняющее действие. Повышенная прочность сплавов твердых растворов по сравнению с чистыми металлами обусловлена увеличением сил трения при движении дислокаций, образованием примесных атмосфер и изменением дислокационной структуры при легировании., МПа Sn Be Si Al Ni Zn С, % (ат) Рис Зависимость условного предела текучести ζ 1,0 от концентрации легирующих элементов в твердом растворе на основе меди Критерии выбора легирующих элементов для получения максимального растворного упрочнения: 1) величина растворимости легирующего элемента в основе (прочностные свойства растут с увеличением легированности); 2) способ растворения атомов добавки (замещение или внедрение); 3) разница в атомных размерах добавки и основы; 4) разница в валентностях легирующего элемента и растворителя; 5) разница в упругих константах основы и добавки При создании высокопрочных сплавов легирующие элементы стремятся выбирать таким образом, чтобы максимально использовать все перечисленные критерии. Но осуществить это на практике трудно. Механические свойства металла или твердого раствора заданного состава могут существенно изменяться в зависимости от их структурного состояния. Измельчение зерна повышает прочностные и пластические характе- 106

107 ристики. Упрочнению способствует также увеличение плотности дислокаций, создание полигонизованных структур. В деформированных металлах и сплавах, для которых характерно наличие текстуры, механические свойства образцов, вырезанных и растягиваемых при испытании вдоль направления деформации (прокатки, прессования), обычно выше, чем в поперечном направлении. Выделения избыточных фаз могут обеспечить прирост прочности вплоть до температуры солидуса сплава. Но не все выделения вызывают упрочнение, а если оно и наблюдается, то изменяется в широких пределах. Прирост прочности за счет введения частиц избыточных фаз зависит в первую очередь от свойств и структуры этих фаз, их связи со структурой матрицы, формы и размера частиц и расстояния между ними, характера распределения частиц в матрице. В общем можно сказать, что наибольшего упрочнения сплава можно ожидать в тех случаях, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена в объеме сплава, а расстояние между ее частицами мало. Все или часть этих условий выполняются при дисперсионном упрочнении сплавов. Дисперсионное упрочнение, или твердение, достигается при старении (отпуске) в результате распада образовавшегося после закалки пересыщенного твердого раствора (метастабильной фазы). В других случаях упрочнение в результате введения мелких частиц избыточных фаз называют дисперсным. В последние годы все более широко применяется внутреннее окисление, при котором диффундирующий в образец при окислительном отжиге кислород взаимодействует с химически активными легирующими элементами, образуя равномерно распределенные в объеме дисперсные выделения оксидов. Частицы избыточных фаз содержатся в структуре многих сплавов, не подвергающихся дисперсионному или дисперсному упрочнению. Они могут образовываться при кристаллизации, выделяться или видоизменяться в процессе деформации, отжига и т. д. Такие частицы по размерам и расстоянию между ними обычно на порядки больше, чем те, которые обеспечивают максимальное упрочнение, например, при старении или внутреннем окислении. Частицы избыточных фаз обычно усиливают анизотропию механических свойств деформированных сплавов. При обработке давлением эти частицы вытягиваются вдоль направления (и плоскости) деформации, образуя характерную строчечность. Характеристики пластичности, а часто и прочности, определяемые на образцах, ось которых перпендикулярна направлению деформации при обработке, значительно ниже, чем у продольных образцов. Например, прессованная полоса из сплава Д16 после закалки и искусственного старения имеет следующие свойства при растяжении образцов, вырезанных в различных направлениях. 107

108 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют временным сопротивлением? 2. Что характеризует истинное сопротивление разрыву? 3. Почему ζ пц, ζ 0,05, ζ 0,2, ζ в являются условными характеристиками? 4. В чем отличие графиков зависимости условных и истинных напряжений от относительного удлинения? 5. Каким соотношением описывается участок истинной кривой напряжение-деформация от предела упругости до максимума нагрузки? 6. Какие характеристики пластичности определяют при растяжении? 7. Какая характеристика характеризует способность к равномерной пластической деформации, а какая является показателем сосредоточенной деформации? 8. Как определяется полная работа деформации А при растяжении? 9. Как определяется удельная работа деформации (вязкость)? 10. Что происходит с прочностными характеристиками при легировании металлов растворимыми добавками? 11. Чем обусловлена повышенная прочность сплавов твердых растворов по сравнению с чистыми металлами? 12. Какие выделяют критерии выбора легирующих элементов для получения максимального растворного упрочнения? 13. Какое упрочнение называют дисперсионным, а какое дисперсным? 14. Как влияют частицы избыточных фаз на анизотропию механических свойств деформированных сплавов? 108

109 ЛЕКЦИЯ 15 СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПЛАН 15.1 Испытания на двухосное растяжение. Схемы испытаний. Образцы. Методика проведения испытаний и расчета свойств. Области применения Испытания на сжатие. Схемы испытаний. Образцы. Методика проведения испытаний и расчета свойств. Области применения Испытания на изгиб. Схемы испытаний. Образцы. Методика проведения испытаний и расчета свойств. Области применения Испытания на кручение. Схемы испытаний. Образцы. Методика проведения испытаний и расчета свойств. Области применения ИСПЫТАНИЯ НА ДВУХОСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ Многие листовые конструкции баллоны и сосуды под внутренним давлением, обшивка самолетов и ракет работают в условиях двухосного растяжения. Для оценки поведения материалов в таких условиях проводят специальные испытания на двухосное растяжение методом гидравлического или пневматического выдавливания. Квадратный листовой образец закрепляют на опорной плите с круглым или эллиптическим отверстием и выдавливают снизу под давлением жидкости или газа вплоть до разрушения образующегося сферического или эллипсовидного сегмента. В полюсе сегмента создается схема двухосного растяжения: симметричного (S 1 =S 2 ) в сферическом и несимметричного (S 1 >S 2 ) в эллипсовидном. В процессе испытания может быть записана диаграмма деформации в координатах давление стрела прогиба (или радиус изгиба), по которой рассчитывают напряжения на разных стадиях деформации и в момент разрушения. Основными характеристиками свойств материала при испытании на двухосное растяжение по описанной схеме являются условный и истинный пределы прочности. Для сферического сегмента ζ вд =Р k R/2t 0 и S вд =P k R/2t k где ζ вд, S вд условный и истинный пределы прочности; Р k давление в момент разрушения; R радиус сегмента в момент разрушения; t 0 и t k начальная и конечная толщина образца в зоне полюса сегмента. По результатам испытаний в качестве характеристики пластичности оценивают истинное утонение сегмента в зоне полюса: е 3 = ln(t 0 /t k ). Может быть также определен предел текучести напряжение в полюсе сегмента, соответствующее определенной остаточной деформации. Допуск на 0,2 % относительного удлинения при одноосном растяжении эквивалентен 0,1 % при симметричном двухосном растяжении (S 1 =S 2 ) и 0,17% при S 2 = 0,5S 1. Испытания на двухосное растяжение более жесткие, чем на одноосное. При решении вопроса о возможности применения материала в листовой конструкции, работающей в условиях двухосного растяжения, сопоставляют его 109

110 свойства по результатам испытаний на одноосное и двухосное растяжение. Если они близки или выше в условиях двухосного растяжения, то считают, что материал может использоваться в соответствующей конструкции ИСПЫТАНИЯ НА СЖАТИЕ Схема одноосного сжатия характеризуется большим коэффициентом мягкости ( = 2) по сравнению с растяжением ( = 0,5), поэтому испытаниям на сжатие целесообразно подвергать относительно хрупкие материалы. На практике по этим испытаниям оценивают свойства чугуна и других хрупких сплавов. Расчет нормальных и касательных напряжений при сжатии и растяжении производят аналогично. В результате пластической деформации при сжатии образец укорачивается и уширяется. Следовательно, в качестве характеристик пластичности при сжатии определяют относительное укорочение ( h h ) h ] 100% и относительное уширение ( F F ) F ] 100%, где [ o к o [ к о o h o и h к - начальная и конечная высота образца; F o и F к - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца. Линейность схем напряженного и деформированного состояния при одноосном сжатии и растяжении обусловливает близость характеристик сопротивления малым деформациям одного материала, испытываемого двумя методами. После перехода к существенной пластической деформации (при напряжениях выше предела текучести) схема одноосного сжатия в реальных испытаниях нарушается и фиксируемые характеристики прочностных свойств уже резко отличаются от определяемых при растяжении. Это связано с трением по опорным поверхностям образца. По мере сжатия на торцевых поверхностях образца возникают силы трения, направленные по радиусам к его центру и препятствующие деформации в горизонтальном направлении. В результате образец приобретает характерную бочкообразную форму, а схема напряженного состояния усложняется и становится различной в разных точках образца. Неоднородность напряженного состояния образца на практике не учитывают, рассчитывая прочностные характеристики при сжатии по тем же формулам, что и при растяжении ( i Pi Fo ). Это придает дополнительную условность определяемым свойствам. Поэтому стараются уменьшить силы трения на опорных поверхностях образца. Однако полностью устранить контактные силы трения и обеспечить в течение всего испытания линейное напряженное состояние в образце не удается. Это принципиальный недостаток испытаний на сжатие. Чем меньше отношение высоты образца к диаметру, тем сильнее контактное трение влияет на результаты испытаний. Поэтому следовало бы проводить испытания на возможно более длинных образцах, однако при этом 110

111 трудно избежать их продольного изгиба. Оптимальной для цилиндрического образца является величина отношения h o d o в пределах 1-3. При испытании на сжатие машина 1 может зафиксировать первичную диаграмму сжатия зависимость усилия Р от P уменьшения высоты образца (абсолютной 2 деформации) Δh. Вид диаграммы сжатия различен для материалов, разрушающихся (рис кривая 1) и не разрушающихся (рис кривая 2) в результате испытания. В отличие от испытаний на растяжение при сжатии удается разрушить далеко не любой материал. Достаточно пла- Δh Рис Диаграммы сжатия материалов, разрушающихся (1) и не разстичные металлы и сплавы при сжатии расплющиваются в тонкие пластины и не рушающихся (2) при испытании разрушаются при максимально возможных усилиях испытательной машины. По диаграмме сжатия определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности. Условный предел прочности материалов, не разрушающихся при сжатии, определить нельзя. Методика определения прочностных свойств по диаграмме сжатия полностью аналогично методике при растяжении. На рис нанесена кривая условных напряжений ζ е, которая при сжатии всегда S, σ 2 имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений, поскольку на первичной диаграмме сжатия никогда нет максимума и участка снижения нагрузки. Значения прочностных характеристик при сжатии, особенно предела прочности, обычно значительно выше, чем при растяжении металлов при сжатии в 2 3 раза выше, чем при растяжении. Схемы сжатия используют в технологических пробах для оценки деформационной способности полуфабрикатов и изделий. Рис Диаграмма истинных (1) и условных (2) напряжений при сжатии Стандартизованы пробы на осадку (ГОСТ ) и расплющивание (ГОСТ ). С их помощью по появлению трещин определяют годность или негодность материала после деформации сжатием на заданную величину. 1 ε 111

112 15.3 ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ Применение испытаний на изгиб обусловлено широкой распространенностью этой схемы нагружения в реальных условиях эксплуатации и большей ее мягкостью по сравнению с растяжением, что дает возможность оценивать свойства материалов, хрупко разрушающихся при растяжении. Испытания на изгиб удобны для оценки температур перехода из хрупкого состояния в пластичное (например, у хладноломких ОЦК металлов и интерметаллидов). При испытаниях на изгиб образец в виде цилиндра устанавливают на две опоры и нагружают посередине изгибающим ножом с округлым окончанием (рис. 15.3). По диаграмме нагрузка стрела прогиба определяют максимальную сосредоточенную нагрузку Р max в момент разрушения (или при появлении первой трещины). P/2 l/2 l P Рис Схема изгиба под сосредоточенной нагрузкой f P/2 В изгибаемом образце создается неоднородное напряженное состояние, зависящее от геометрии образца и способа нагружения. При изгибе двумя симметричными нагрузками узких образцов с прямоугольным сечением напряженное состояние в каждой точке можно считать линейным. В широким образцах (с отношением ширины к высоте сечения более трех) при обеих схемах изгиба создается двухосное напряженное состояние из-за затруднения поперечной деформации. Нижняя часть образца оказывается растянутой, верхняя сжатой. К тому же напряжения, различны по длине и сечению образца. Максимальные напряжения возникают вблизи поверхности. Все это затрудняет оценку средних истинных напряжений и деформаций, строго характеризующих механические свойства при изгибе. Образцы для испытаний на изгиб не имеют головок. Это еще одно преимущество по сравнению с растяжением, так как изготовление образцов с головками, особенно из хрупких материалов, значительно сложнее. На изгиб испытывают прямоугольные или цилиндрические стержни. При испытании чугунов используют образцы диаметром d о = 30 мм, а расстояние между опорами l составляет 300 или 600 мм. Условное нормальное напряжение в крайнем (нижнем) растянутом волокне M W, где М изгибающий момент, а W момент сопротивления сечения. В случае нагружения сосредоточенной силой M P l 4. Для прямо- 2 угольного образца W b h 6, а для цилиндрического W do 32, где d 0 - начальный диаметр образца; b высота и h ширина образца. Рабочей формулой для расчета упругих напряжений при изгибе образцов прямоугольного сечения является 3 112

113 3P l 2b h, (15.1) а для цилиндрических образцов 3 8P l d o. (15.2) Если разрушение происходит хрупко, т.е. в упругой области, или после небольшой пластической деформации, то можно воспользоваться этими формулами для расчета предела прочности при изгибе ИСПЫТАНИЯ НА КРУЧЕНИЕ Кручение осуществляется двумя разными по величине и противоположно направленным крутящим моментам, которые прикладываются к концам образца в плоскостях, нормальных его продольной оси. В рабочей части образца возникает разноименное плоское напряженное состояние с коэффициентом мягкости 0,8, т.е. большим, чем при растяжении. В то же время в отличие от сжатия и изгиба при испытании на кручение до разрушения можно довести любой материал. Максимальные касательные напряжения при кручении действуют в плоскостях, перпендикулярных оси образца, наибольшие же нормальные напряжения под углом 45, причем Smax tmax. После разрушения срезом и отрывом получаются характерные формы излома, по которым однозначно можно определить тип разрушения. В отличие от других статических испытаний геометрия излома реальных образцов здесь строго соответствует схемам. Это объясняется тождеством напряженного состояния по всей длине скручиваемого образца от начала испытания до момента разрушения (при однократном скручивании). Другим важным следствием неизменности напряженного состояния является постоянство рабочей длины и поперечного сечения образца во время испытания. Испытания на кручение используют для оценки свойств материалов валов и проволоки. Образцы должны иметь цилиндрическую рабочую часть и квадратные головки. Испытания на кручение проводят на специальных машинах, которые должны обеспечивать надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий, возможность достаточно точного задания и измерения величины крутящего момента. В качестве меры деформации в процессе испытания фиксируется угол закручивания. Во время испытания каждый захват машины поворачивается на определенный угол (больший у активного захвата). Угол закручивания образца равен разности этих углов. Зная текущие значения крутящего момента и угла закручивания, можно построить диаграмму кручения в координатах М кр - (рис. 15.4). Эта диаграмма состоит из участка упругой и пластической деформации. 113

114 М кр М 0,3 М упр М пц 0 0,3 / p e Рис Диаграмма кручения S к Из-за отсутствия значительного местного сужения ниспадающего участка на диаграмме кручения не бывает, хотя после образования первых трещин деформация становится неравномерной, сосредотачиваясь вблизи излома. По аналогии с другими статическими испытаниями при кручении определяют условные пределы пропорциональности, упругости, текучести и прочности, а также истинный предел прочности. Однако все эти свойства выражают не через нормальные, а через касательные напряжения. Основной характеристикой пластичности при кручении является относительный сдвиг g, величина которого включает как упругую, так и остаточную деформацию. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Для чего проводят испытания на двухосное растяжение методом гидравлического или пневматического выдавливания? 2. В каких координатах записывается диаграмма деформации при испытании на двухосное растяжение? 3. Какие характеристики свойств материала при испытании на двухосное растяжение являются основными? 4. Для каких материалов проводятся испытание на одноосное сжатие? 5. Какие свойства определяют в качестве характеристик пластичности при сжатии? 6. В каких координатах строят первичную диаграмму сжатия? 7. Почему кривая условных напряжений при сжатии всегда имеет вид, качественно аналогичный диаграмме истинных напряжений? 8. В каких случаях используются испытания на изгиб? 9. Преимуществ испытаний на изгиб? 10. Какие характеристики определяют при испытании на изгиб? 11. В каких испытаниях до разрушения можно довести любой материал, а в каких нет? 12. Где используются испытания на кручение? 13. Какие характеристики определяют при испытании кручения? 114

115 ЛЕКЦИЯ 16 ПРИМЕНЕНИЕ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ СТАТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ПЛАН 16.1 Испытания образцов с надрезом 16.2 Испытания на вязкость разрушения Образцы, методика проведения испытаний. Расчет критических коэффициентов интенсивности напряжений, критического раскрытия трещины и I-интеграла 16.3 Связь характеристик трещиностойкости с другими механическими свойствами. Зависимость трещиностойкости от состава и структуры материала 16.1 ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ С НАДРЕЗОМ Наиболее распространенные испытания с применением концентраторов напряжений испытания на растяжение и изгиб образцов с надрезом. На образцы круглого сечения обычно наносят кольцевой надрез, на прямоугольные образцы для растяжения симметрично по двум сторонам сечения, а на образцы для испытаний на изгиб вдоль одной стороны сечения перпендикулярно продольной оси. Надрез существенно влияет на распределение нормальных напряжений. Снижение коэффициента мягкости испытания является основной причиной преждевременного разрушения образцов и конструкций с надрезом. В плоском образце в области надреза возникает схема двухосного растяжения. Для количественной оценки жесткости надреза используют коэффициент концентрации напряжений отношение наибольшего напряжения к номинальному (без учета неравномерности распределения напряжений). Коэффициент концентрации напряжений определяется геометрией надреза. Чем больше глубина и острота последнего, тем он жестче и тем легче получить хрупкое разрушение. Практически для любого, даже очень пластичного металла можно подобрать такие форму и размеры образца и надреза, которые обеспечат хрупкое разрушение в заданных условиях испытания. Критерием чувствительности материала к надрезу служит отношение условных пределов прочности гладкого и надрезанного образцов (ζ в /ζ в н ). Чем оно больше, тем сильнее чувствительность данного материала к надрезу; максимально и всегда больше единицы это отношение у хрупких материалов. Для высокопрочных сплавов ζ в /ζ в н также обычно больше единицы, особенно если показатели пластичности образцов с надрезом сильно снижаются по сравнению с гладкими. Для пластичных сплавов это отношение может быть меньше единицы, если жесткость надреза недостаточна и образец с надрезом имеет возможность пластически деформироваться. 115

116 Чаще всего испытания образцов с надрезом проводят по схемам одноосного растяжения, а также изгиба. При других схемах статического нагружения влияние надрезов менее заметно. Испытания образцов с надрезом характеризуются худшей воспроизводимостью результатов, чем при испытании гладких образцов, и требуют поэтому использования большего числа образцов. Значительный разброс данных при испытании образцов с надрезом связан с неоднородностью их деформации: надрез, повышая напряжение у своей вершины, одновременно снижает напряжения в других частях сечения. Поэтому для повышения конструкционной прочности наносят так называемые разгружающие надрезы, которые располагаются в менее напряженных местах и должны быть более мягкими, чем основной надрез. Такие разгружающие надрезы, несколько повышая напряжения в местах нанесения, уменьшают их у вершины основного надреза и, следовательно, приводят к более равномерному распределению напряжений и деформаций, обеспечивая повышение прочности конструкций ИСПЫТАНИЯ НА ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦЫ, МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ. РАСЧЕТ КРИТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ, КРИТИЧЕСКОГО РАСКРЫТИЯ ТРЕЩИНЫ И I-ИНТЕГРАЛА Распространение получили статические испытания образцов с надрезом и трещиной для определения вязкости разрушения сопротивления распространению трещины. Эти испытания особенно важны для высокопрочных сплавов, которые могут иметь удовлетворительные характеристики пластичности при обычных испытаниях, но хрупко разрушаться при наличии надрезов и трещин в реальных конструкциях. Наибольшее развитие получили испытания для определения коэффициента интенсивности напряжений при плоской деформации K Ic. Эта характеристика стала важнейшим количественным критерием разрушения высокопрочных металлических материалов. Принципиальным преимуществом K Ic по сравнению с другими характеристиками предельной прочности является то, что вязкость разрушения учитывает и длину трещины. Любой критерий разрушения, выраженный через напряжение, предполагает, что разрушение происходит мгновенно по достижении этого напряжения. На самом деле всякое разрушение это результат развития трещины, и поэтому характеристика предельной способности к торможению разрушения должна включать не только напряжение, но и длину трещины. На базе линейной механики разрушения предложен, помимо K Ic, и ряд других критериев. Для листовых материалов, в частности, определяют вязкость разрушения K c в условиях плоского напряженного состояния (K Ic измеряется при объемном напряженном состоянии у вершины трещины). Но K Ic 116

117 отличается хорошей воспроизводимостью при экспериментальном определении, независимостью от формы и размеров образцов, если соблюдаются условия правильного проведения испытаний, методика которых фактически стандартизована в международном масштабе. Их проводят предпочтительно по схеме изгиба или внецентрированного растяжения. В обоих случаях используют образцы с прямоугольным поперечным сечением и односторонним надрезом. Помимо надреза, в образец перед началом испытания должна быть введена усталостная трещина. Она инициируется надрезом и развивается от его вершины в глубь образца. Размер l соответствует общей глубине надреза, которая складывается из длины трещины и высоты механически нанесенного надреза. Отношение l к высоте сечения b должно быть в пределах 0,45 0,55. Соотношения всех размеров образца, надреза и трещины имеют в этих испытаниях особое значение, поскольку они должны обеспечить условия плоской деформации у вершины трещины и упруго-напряженное состояние вдали от нее. Только в этом случае возможно правильное определение вязкости разрушения K Ic. Основное требование к размерам образца сводится к тому, чтобы толщина сечения а была не меньше 2,5 (K Ic /ζ 0,2 ) 2, где ζ 0,2 условный предел текучести материала при обычном растяжении в тех же условиях (температура, скорость деформации). Испытания можно проводить на любых универсальных машинах для статических испытаний, снабженных электротензометрическим устройством для фиксации нагрузки, и двухкоординатным самописцем, который необходим для записи диаграммы нагрузка Р смещение υ. Смещение это изменение расстояния между точками по обе Р A A II Р стороны от трещины за счет ее Q 1 P x 0,8Р раскрытия. Для фиксации смещения на образце устанавлива- Q P x =Р Q 1 I III ют специальные датчики, обычно электротензометрические, сигнал от которых подается на самописец. Расчет вязкости разрушения проводят по диаграммам нагрузка смещение, типичный вид которых показан на рис. 0 0 Рис Разновидности диаграмм нагрузка-смещение Задача заключается в том, чтобы определить нагрузку P Q, при которой начинается нестабильное (самопроизвольное) развитие трещины. На диаграммах II и III эта нагрузка соответствует точке максимума. Если же металл пластичен и диаграмма получается плавной (I), то для унификации методики необходимо условиться, какому относительному смещению будет соответствовать P Q. 117

118 Общая методика обработки диаграмм нагрузка смещение сводится к следующему (см. рис. 16.1). Через начало координат проводят секущую ОР х с наклоном на х процентов меньше, чем наклон ОА начального линейного участка упругой деформации. Общепринято значение х =5 %. Определяем нагрузку Р х, соответствующую точке пересечения проведенной секущей с диаграммой. Величина P Q равна Р х или другой небольшой нагрузке, предшествующей Р х. Таким образом, для диаграммы I P Q = Р х а для двух других соответствует точке максимума, достигаемой обычно до Р х. Перед расчетом вязкости разрушения следует проверить полноценность полученной диаграммы. Для этого проводят горизонтальную линию при P = 0,8 P Q и измеряют отрезок υ 1 между прямой ОА и кривой нагрузка смещение. Он характеризует нелинейность диаграммы при P = 0,8 P Q и должен быть меньше четверти смещения υ при нагрузке Р х. Если υ 1 > 0,25 υ, то нелинейность считается обусловленной не только ростом трещины, но и пластической деформацией или погрешностями измерения. В этом случае правильный расчет K Ic невозможен, и испытание надо проводить заново, изменив размеры образца, или устранив источник ошибок в построении диаграммы нагрузка смещение. Если диаграмма полноценна, подсчитывают коэффициент интенсивности напряжений K Q. Для испытаний по схемам изгиба и растяжения можно использовать единую расчетную формулу K Q = P Q Y/ab 1/2 (16.1) Размеры образца а и b известны до опыта, величина P Q определяется по кривой нагрузка смещение, а коэффициент Y различен для изгиба и растяжения и определяется соотношением суммарной глубины надреза и трещины к высоте сечения образца b. Существуют специальные таблицы, по которым этот коэффициент можно определить для любого образца с известным отношением l/b. После расчета K Q необходимо окончательно проверить правильность выбора размеров образца. Для этого подсчитывают величину 2,5 (K Q /ζ 0,2 ) 2, которая должна быть меньше а. В этом случае K Q = K IC и испытание можно считать законченным. В противном случае необходимо увеличить размеры образца, исходя из полученного значения K Q, и провести новое испытание. Размеры многих изделий и полуфабрикатов, в первую очередь листов, оказываются недостаточными для корректного определения K IC даже высокопрочных сплавов, тогда измеряют K C. Это менее строгая характеристика вязкости разрушения потому, что ее величина зависит от геометрии образца. Для оценки К с чаще всего проводят испытания на растяжение листовых образцов с отношением а/b = 1/16 1/45 с центральным отверстием, по обе стороны от которого создаются усталостные трещины. Для определения К с необходимо фиксировать изменение длины трещины в процессе растяжения, т. е. строить зависимость этой длины от нагрузки. Точное измерение длины развивающейся трещины сложная методическая 118

119 задача. Она решается различными методами, в частности электроиндуктивным и методом измерения электросопротивления. Второй метод состоит в том, что длину трещины оценивают по изменению электросопротивления образца в месте распространения трещины. В результате испытания каждого образца получают кривую нагрузка длина трещины, вид которой схематично показан на рис До точки i рост нагрузки, не приводит к развитию трещины. От точки i до точки с трещина постепенно, относительно медленно растет, а начиная с точки с распространяется уже очень быстро и самопроизвольно, не требуя дополнительного прироста напряжений. Вязкость разрушения К с рассчитывают по формуле (16.2) К с =ζ с брутто b tg (16.2) 2 l c r y где ζ с брутто = Р с /b а напряжение в сечении брутто (без учета надреза) в момент начала самопроизвольного разрушения. Нагрузка Р с определяется по диаграмме (см. Рис. 16.2); b и а ширина и толщина образца. Величина l c критическая длина трещины, при которой начинается самопроизвольное неконтролируемое разрушение (рис. 16.2). Таким образом, и ζ с брутто и l c определяются по положению точки С на диаграмме нагрузка длина трещины. Величина r y характеризует поправку на зону пластической деформации у вершины трещины. Для плоского напряженного состояния r y =K c 2 /2πζ 0,2 2 где ζ 0,2 условный предел текучести при растяжении испытуемого материала. Величину К с рассчитывают методом последовательного приближения. Сначала ее определяют по экспериментально определенной l c без учета поправки на пластическую зону. По полученному значению К с рассчитывают r у и вновь определяют К с уже для полудлины трещины (l c +r y ). Новое значение К с используют для повторной оценки величины r у, а затем опять рассчитывают уточненное значение К с. Эти операции повторяют до получения постоянного К с. Для оценки сопротивления развитию трещин пластичных материалов, у которых не удается корректно определить не только величину K IC, но и К с, находят критическое раскрытие трещины δ с, при котором начинается закритический рост трещины. Величина δ с может рассматриваться как деформационный критерий разрушения. Как и К с δ с зависит от толщины образца. Для экспериментальной оценки критического, раскрытия трещины проводят испытания на трехточечный изгиб образцов, подобных тем, которые Р Р с i lc c Рис Схема диаграммы нагрузка длина трещины l 119

120 применяются для определения K IC. Вновь строят диаграммы нагрузка смещение, причем смещение здесь характеризует раскрытие надреза на поверхности образца. Нагружение ведут до полного разрушения образца. В зависимости от состава и структуры испытываемого материала, а также условий испытания могут быть получены три типа диаграмм нагрузка раскрытие (рис. 16.3), по которым оценивают критические значения нагрузки Р с и раскрытия δ с. Тип I кривых Р δ с характеризуется разрушением при нагрузке Р с после некоторой пластической деформации без докритического роста трещины. На кривых типа II регистрируется скачок трещины при Р с. Наконец, кривые типа III получаются при испытании образцов, в которых вначале происходит докритическое раскрытие трещины до достижения максимальной нагрузки Р с, после чего образец окончательно разрушается. По результатам испытаний серии образцов с разной длиной усталостной трещины находят критическое раскрытие трещины δ с = с Кlc, где c среднее значение раскрытия трещины при нагрузке Р с (рис, 121); l с средняя длина усталостной трещины; К коэффициент, определяющий угол расхождения берегов трещины. Еще одна характеристика сопротивления разрушению для случая, когда разрушение сопровождается значительной пластической деформацией это I- интеграл, определяющий интенсивность потока энергии в вершину трещины в момент начала ее роста, I -интеграл мало зависит от формы образца. Его находят по результатам испытаний на изгиб или внецентренное растяжение с записью диаграмм нагрузка смещение, как и при испытаниях на вязкость разрушения K IC. Диаграмму записывают до начала движения трещины, затем образец разгружают и разрушают в условиях циклического нагружения. Полученную диаграмму Р υ (см. Рис. 16.1) планиметрируют и определяют полную работу А, затраченную к моменту страгивания трещины. На разрушенном образце измеряют длину прироста трещины L и ее площадь F по излому. Рассмотренные характеристики сопротивления разрушению (K IC, K C, δ с, I) определяют трещиностойкостъ материала его способность работать в конструкции с трещиной СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ С ДРУГИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ. ЗАВИСИМОСТЬ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ОТ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА Максимальной трещиностойкостью обладают материалы, высокопластичные в условиях статического нагружения гладких образцов. Минимальная трещиностойкость характерна для хрупких материалов. Большинство конструкционных материалов имеет промежуточную пластичность, неоднозначно связанную с характеристиками трещиностойкости, т.к. последняя существенно зависит и от прочностных свойств материала. 120

121 Многочисленные попытки установить корреляционные связи вязкости разрушения с совокупностью механических свойств гладких образцов (ζ в, ζ 0,2, δ и др.) пока не дали положительных результатов, общих для сплавов разных групп. Сильно на вязкость разрушения влияют примеси и легирующие добавки, вызывающие образование избыточных фаз. При увеличении концентрации таких элементов в сплаве вязкость разрушения снижается. В большинстве случаев легирование отражается на трещиностойкости через изменение структуры: размера и формы зерна, параметров дислокационной структуры, количества и размеров выделений избыточных фаз и т. д. Еще более значительно сказываются на структурных параметрах режимы обработки: условия кристаллизации, деформации, термической обработки. Формирование полигонизованной структуры в деформированных полуфабрикатах, в частности при высокотемпературной термомеханической обработке, способствует повышению вязкости разрушения. Увеличение плотности дислокаций за счет холодной деформации может как повышать, так и снижать вязкость разрушения. Избыточные фазы, увеличение их объемной доли в пластичной матрице всегда снижают вязкость разрушения. При этом в отличие от механических свойств гладких образцов значения K IC, K C сильно зависят не только и часто не столько от дисперсных вторичных выделений, образующихся в результате распада твердого раствора, сколько от наличия относительно грубых (микронных размеров) выделений фаз кристаллизационного происхождения. Дисперсные вторичные выделения избыточных фаз, образующиеся при старении или отпуске, также существенно сказываются на трещиностойкости. После старения вязкость разрушения обычно ниже, а после отпуска (сталей) выше, чем в закаленном состоянии. Минимальная вязкость разрушения алюминиевых сплавов фиксируется после старения по таким режимам, когда образуются метастабильные фазы, частично когерентные матрице. В этом случае максимален уровень внутренних напряжений, минимальна деформационная способность, и трещина развивается особенно легко. После зонного старения, а также перестаривания вязкость разрушения существенно выше (на %). Трещиностойкость, как и другие механические свойства, анизотропна. Анизотропия вязкости разрушения деформированных полуфабрикатов, обусловленная их текстурой, имеет важное практическое значение. Вязкость разрушения максимальна у долевых и минимальна у высотных образцов. Это общая закономерность для сплавов разных групп. Связана она в основном с волокнистой, строчечной структурой деформированных полуфабрикатов, которая состоит из чередующихся слоев разного химического и фазового состава. Особенно большое значение имеет строчечность в расположении избыточных фаз. 121

122 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что является основной причиной преждевременного разрушения образцов и конструкций с надрезом? 2. Какие характеристики свойств материала при испытании на двухосное растяжение являются основными? 3. Что служит критерием чувствительности материала к надрезу? 4. С чем связан значительный разброс данных при испытании образцов с надрезом? 5. Какая характеристика является важнейшим количественным критерием разрушения высокопрочных металлических материалов? 6. Преимущества K Ic? 7. В условиях какого напряженного состояния определяют вязкость разрушения K c? 8. Какое основное требование к размерам образца при испытаниях на вязкость разрушения? 9. По каким диаграммам проводят расчет вязкости разрушения? 10. Как проверяют полноценность полученной диаграммы для расчета вязкости разрушения? 11. Как определяют вязкость разрушения К с? 12. Как определяют критическое раскрытие трещины δ с? 13. Какая характеристика сопротивления разрушению определяется для случая, когда разрушение сопровождается значительной пластической деформацией? 14. Какие характеристики сопротивления разрушению определяют трещиностойкостъ? 15. Что такое трещиностойеость? 16. Какие факторы повышают вязкость разрушения? 17. Какие факторы понижают вязкость разрушения? ЛЕКЦИЯ 17 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ ПЛАН 17.1 Методы технологических испытаний листов, лент. Методики проведения испытаний. Критерии оценки годности продукции Методы технологических испытаний проволоки. Методики проведения испытаний. Критерии оценки годности продукции 17.3 Методы технологических испытаний труб. Методики проведения испытаний. Критерии оценки годности продукции 17.4 Технологические пробы на изгиб. Методика проведения испытаний. Критерии оценки годности продукции 122

123 17.1 МЕТОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ЛИСТОВ, ЛЕНТ Технологические пробы это испытания металлов, выполняемые несложными способами и без тщательного измерения наблюдаемых свойств. Технологические пробы предназначены для выявления способности металла к тем или иным деформациям, которым он подвергается при работе или при обработке в холодном или горячем достоянии. Качество металла по технологическим пробам определяется по внешнему виду после испытания. Отсутствие трещин, надрывов, расслоения кии излома свидетельствует о том, что металл выдержал пробу. Существует много технологических проб. На некоторые пробы установлены ГОСТы, т.е. испытания проводятся по определенным правилам, которые устанавливают размеры и формы образцов испытываемых металлов, инструментов и приспособлений для выполнения пробы. Проведение технологических проб обычно оговаривается техническими условиями на изготовление детали или изделия и служит для качественной, а также сравнительной оценки металла. Для каждого вида технологической пробы устанавливают свои определенные показатели. Испытание на выдавливание листов и лент метод Эриксена (ГОСТ ). Технологическая проба на выдавливание листового металла определяет способность его подвергаться вытяжке при холодной штамповке. Метод основан на вдавливании сферического пуансона в образец, зажатый между матрицей и прижимным кольцом, и измерении глубины полученной лунки. Признаком окончания испытания является начало образования на лунке сквозной трещины, видимой на просвет (рис. 17.1) Для испытания применяют образцы в виде полосы шириной, равной ширине ленты (от 15 до 90 мм), и шириной 90 мм при ширине ленты и листа 90 мм и более. При толщине листа менее 0,2 до 0,1 мм и ширине более 30 мм применяются образцы шириной 30 мм. Длина образца должна обеспечивать выдавливание необходимого количества лунок (не менее трех) с расстояниями между центрами не менее ширины образца и от концов не менее половины этого размера. Количество и место отбора образцов Рис Схема испытания по Эриксену, [3] для испытания, и количество лунок на образце определяются соответствующими стандартами или техническими условиями. 123

124 Перед испытанием образцы осматривают. Они не должны иметь впадин и загнутых кромок, препятствующих правильной установке образца в испытательном приборе. Образцы должны быть очищены от грязи и посторонней смазки. Правка в холодном и горячем состояниях и дополнительная обработка поверхности образцов не допускаются. Рулонный материал испытывают без предварительного выпрямления выпуклостью к пуансону. Критерием хорошей штампуемости листа является выдавливание сферической лунки на заданную в зависимости от материала и толщины листа высоту без разрушения. Если на поверхности листа после испытания наблюдаются трещины, то партия должна быть забракована, либо качество его должно быть улучшено за счет проведения дополнительных технологических операций. Испытания на двойной кровельный замок (ГОСТ ). Применяются для листов толщиной менее 0,8 мм. При этом определяется способность металла принимать заданную по размерам и форме деформацию. Испытание заключается в соединении двух листов вплотную двойным замком с последующим загибом по линии, перпендикулярной линии замка, на угол, оговоренный стандартами Рис Схема испытания на двойной кровельный замок, [3] или техническими условиями на металлопродукцию, но не более 45, и разгибом в плоскость (рис. 17.2). Перегиб образца в противоположном направлении при испытании не допускается. Загиб и разгиб производят в специальных приспособлениях на испытательных машинах или киянкой на деревянной подкладке. Число загибов и разгибов определяется стандартами или техническими условиями на металлопродукцию. После испытания образец подвергают наружному осмотру. Определение результатов испытания производят также в соответствии с требованиями стандартов или технических условий на металлопродукцию. Если таких указаний не имеется, то признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие отслаивания, трещин, надрывов и излома, как в материале образца, так и в его покровном слое МЕТОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРОВОЛОКИ Испытание на перегиб (ГОСТ ). Проба на перегиб служит для определения способности металла в холодном состоянии выдерживать по- 124

125 вторные изгибы и разгибы. При испытании применяют образцы проволоки и прутков диаметром от 0,8 до 7 мм, а также полосового и листового материала длиной мм, шириной до 20 мм и толщиной до 5 мм. Для испытаний применяется прибор, общий вид которого показан на рис Прибор представляет собой параллельные тиски специальной конструкции, в которых одна часть неподвижна, а вторая может перемещаться по направляющим. В тиски вставлены зажимные губки со сменными прокладками и полированными валиками, диаметр которых подбирается в зависимости от диаметра испытываемой проволоки. Образец проволоки длиной около 150 мм пропускается через одно из отверстий поводка, размеры которых подобраны в соответствии с диаметром испытываемой проволоки, зажимается между прокладками тисков и в таком положении подвергается перегибам до упоров с помощью ручного рычага прибора. Прибор снабжен счетчиком поворотов рычага. Испытание заключается в том, что зажатый в специальных тисках образец проволоки подвергается предварительному натяжению, а затем загибается и разгибается попеременно вправо и влево на 90 в каждую сторону с равномерной скоростью, равной примерно 60 перегибам в минуту, до излома. Рис Прибор для испытания на перегиб, [3] Второй перегиб Первый перегиб Рис Схема испытания на перегиб Первым перегибом считается загиб образца на 90 влево от начального положения (рис. 17.4). Вторым перегибом разгиб образца до исходного положения и загиб его на 90 вправо. Третий перегиб - разгиб образца до начального положения и загиб его снова на 90 влево и т. д. до определенного числа перегибов, указанного в технических условиях, или до разрушения образца. Образец для испытаний следует тщательно очистить, выпрямить. Во время испытаний ось образца и ось рычага прибора должны находиться водной плоскости. Результат испытаний характеризуется числом перегибов, которые выдержал образец, а также видом разрушения (наличие расслоения, надрывов, трещин) и излома (гладким, косым, ступенчатым, веерообразным). 125

126 Проба на перегиб имеет важное значение для оценки способности к деформированию проволоки, полос, лент, так как при испытании на разрыв невозможно определить это свойство. Испытания проволоки, полос и лент на перегиб проводят на машине с расширенным диапазоном испытываемых образцов и возможностью испытания их с предварительным натяжением. Испытания образцов могут проводиться до заданного числа перегибов. Проба на навивание проволоки (ГОСТ ). Проба дает возможность определить способность проволоки диаметром до 6 мм принимать заданную форму. При испытании кусок проволоки (рис. 17.5) навивают пятью или десятью плотно прилегающими витками на оправку (круглый Рис Схема пробы на навивание проволоки, [3] стержень). Качество проволоки определяется способностью выдерживать без повреждений навивание. Чем пластичнее проволока, тем плотнее будет ее прилегание к стержню. Испытание на кручение проволоки (ГОСТ ). Испытание на кручение производится для оценки способности проволоки к пластической деформации. Характеристикой пластичности является число скручиваний образца до его разрушения или до определенного числа скручиваний. При этом испытании выявляются неоднородность металла и наличие поверхностных и частично внутренних его дефектов, о чем судят по поверхности излома и поверхности скрученного образца. Во время испытаний необходимо следить за числом скручиваний образца, равномерностью шага скручивания образца по длине, а также за возможным расслоением образца в виде трещин или заусенцев, идущих по винтовой линии или вдоль образца. Разрушение проволоки происходит без образования шейки по сечению, перпендикулярному оси образца. Поверхность сечения в месте разрушения имеет, как правило, блестящий вид. Излом может быть гладкий, перпендикулярный оси образца, ступенчатый, косой, веерообразный, с трещиной, раковиной, расслоением, надрывом и другими подобными дефектами МЕТОДЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ТРУБ Испытание труб на изгиб (ГОСТ ). Испытание труб на изгиб служит для определения способности трубы принимать заданный по размерам и форме изгиб. Оно состоит в плавном изгибе образца (рис. 17.6) таким образом, чтобы его наружный диаметр в любом месте не стал меньше 85 % начального, т. е. чтобы труба не была при этом сплющена более чем на 15 % своего диаметра. 126

127 Изгиб образца может производиться вручную с использованием приспособлений или на приводном трубогибочном станке, с наполнителем (песком) или без наполнителя. Изгиб труб диаметром до 60 мм производится в холодном состоянии, а диаметром больше 60 мм в нагретом состоянии. Угол изгиба образца должен быть 90. Образцы сварных труб должны выдерживать испытания в любом положении шва. Образец считается выдержавшим испытание, если на Рис Испытание труб на изгиб, [3] нем после изгиба не обнаружено излома, надрывов, расслоения, т. е. нарушения целостности металла или покрывающего трубу слоя цинка, никеля и др. Испытание на бортование труб (ГОСТ ). Испытание заключается в отбортовке отрезка трубы с образованием фланца заданного диаметра D (рис. 17.7). Рис Проба на бортование труб: а без оправки; б,в с оправками, [3] Такое испытание широко применяется, например, в производстве паровых котлов с дымогарными трубами. При бортовании на сгибе не должно быть трещин, надрывов, расслоений или других подобных дефектов. Испытание на сплющивание труб (ГОСТ ). Проба заключается в сплющивании отрезка трубы между параллельными плоскостями до заданного расстояния Н между этими плоскостями (рис а, б). Образец для испытания берется в зависимости от наружного диаметра и толщины стенки трубы длиной от 20 до 50 мм (1,5 D). Чем больше наружный диаметр и толщина стенки трубы, тем короче образец. На наружной и внутренней поверхностях образца не должно быть ржавчины, грязи, вмятин, глубоких забоин и других повреждений. Плоскость реза должна быть перпендикулярна продольной оси трубы, а также обеспечена прямоугольность торцов с наружной стенкой. 127

128 б а в Рис Испытание туб на сплющивание: а различные стадии испытания; б - схема сплющивания трубы; в схема сплющивания сварной тубы, [3] Для испытания образец помещают между двумя параллельными плоскостями чугунных или стальных плит длиной не меньше полуторной длины образца и шириной не менее (πd/2)+20 мм и плавно сплющивают его плоскостями до заданного расстояния Н. Скорость сплющивания от 20 до 50 мм/мин. Плиты закрепляют в ручном прессе любой конструкции или в параллельных тисках. Образец устанавливают продольной осью вдоль губок тисков. При испытании сварных труб шов должен быть расположен на одинаковом расстоянии от сплющивающих плоскостей (рис в). Испытание проводят при температуре окружающей среды, но не ниже - 10 С (263 К). После сплющивания на образце не должно быть трещин или надрывов. Это является показателем того, что образец выдержал испытание ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЫ НА ИЗГИБ Испытание на изгиб (ГОСТ ). Проба на изгиб производится в нагретом или холодном состоянии и служит для определения способности металла принимать заданный по размерам и форме изгиб. При этом изгиб может производиться до определенного угла (рис б), до параллельности сторон при огибании валика определенного диаметра (рис в) или до соприкосновения сторон (рис г). Образцы, выдержавшие пробу, не должны иметь после изгиба трещин, надрывов, надломов или расслоений. Пробе на изгиб подвергают пластичные металлы толщиной не более 30 мм. 128

129 а б в г Рис Схема технологического испытания на изгиб, [3] Для проведения испытаний используют прессы, универсальные и специальные машины, тиски с закругленными губками, а также приспособление, показанное на Рис а. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Какие испытания металлов относят к технологическим пробам. 2. Цель технологических проб? 3. Какие существуют методы технологических испытаний? 4. На чем основан метод Эриксена? 5. Что является критерием оценки годности продукции при испытании методом Эриксена? 6. В чем заключается и для чего проводится испытание на двойной кровельный замок? 7. Признаки образца, выдержавшего испытание двойной кровельный замок? 8. Для чего служит и в чем заключается проба на перегиб? 9. Чем характеризуется результат испытаний на перегиб? 10. Какие возможности дает проба на навивание проволоки? 11. Как определяется качество проволоки при испытании на навивание? 12. Для чего производится испытание на кручение? 13. Что является характеристикой пластичности при испытании на кручение? 14. В чем заключаются методы технологических испытаний труб? 15. Для чего служит проба на изгиб? 129

130 ЛЕКЦИЯ 18 СВОЙСТВА ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЯХ ПЛАН 18.1 Особенности пластической деформации и разрушения при динамическом нагружении 18.2 Динамические испытания на изгиб образцов с надрезом. Методика проведения испытаний. Ударная вязкость 18.3 Особенности динамических испытаний при повышенных и пониженных температурах 18.1 ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ При эксплуатации различные детали и конструкции часто подвергаются ударным нагрузкам. Для оценки способности металлических материалов переносить ударные нагрузки используют динамические испытания, которые широко применяются также для выявления склонности металлов к хрупкому разрушению. Стандартизованы и наиболее распространены ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. Помимо них используются методы динамического растяжения, сжатия и кручения. Скорости деформирования и деформации при динамических испытаниях на несколько порядков больше, чем при статических. Так, в стандартных испытаниях на динамический изгиб скорость деформирования составляет 3 5 м/с, а скорость деформации порядка 10 2 с -1, в то время как при статических испытаниях эти величины м/с и с -1 соответственно. Резкое увеличение скоростей приложения нагрузки при динамических испытаниях определяет особенности картины пластической деформации, деформационного упрочнения и разрушения. В условиях динамической деформации изменяется поведение дефектов кристаллической решетки, в первую очередь дислокаций. В условиях динамического нагружения на дислокации почти мгновенно начинают действовать относительно высокие напряжения, в результате скорость перемещения дислокаций увеличивается. Резкое ускорение консервативного скольжения дислокаций в условиях динамического нагружения приводит к увеличению сил трения решетки. Это вытекает из скоростной зависимости ширины и энергии дислокаций. Увеличение сил трения, препятствующих быстрому скольжению дислокаций, вызывает прирост критического напряжения сдвига и дополнительное упрочнение металла. Повышение скорости деформации способствует развитию двойникования в металлах с любой решеткой. Увеличение плотности дислокаций, числа систем скольжения и двойникования при динамическом нагружении ведет к уменьшению средней длины свободного пробега дислокаций и повышению 130

131 концентрации точечных дефектов в результате возрастания вероятности пересечений дислокаций и их движения с порогами. Особенности картины пластической деформации при динамическом нагружении обусловливают изменение деформационного упрочнения и отдельных характеристик прочности и пластичности по сравнению со статическими испытаниями. Влияние повышения скорости деформации приравнивалось к снижению температуры испытания. Это утверждение верно для диапазона скоростей, реализуемых при статических испытаниях. В области же высоких скоростей проявляется ряд новых эффектов. Наблюдается, в частности, существенное увеличение степени деформационного упрочнения на I стадии кривой деформации монокристаллов с ГЦК и ГП решеткой. При динамическом нагружении резко увеличивается и степень упрочнения на II стадии, особенно при таких ориентировках кристалла, когда действует большое число систем скольжения. Если сравнивать кривые деформационного упрочнения для одного поликристаллического металла при статическом и динамическом нагружениях, то обычно с увеличением скорости фиксируется повышение уровня напряжений и на начальных стадиях степени деформационного упрочнения (рис. 18.1). а Рис Кривые напряжение деформация при динамической (1) и статической деформации (2): а - для алюминия; б для армко-железа, [1] При динамических испытаниях характеристики прочности, особенно сопротивление малым деформациям повышается по сравнению со статическими. Пластичность неоднозначно зависит от скорости деформации. В большинстве случаев при ударных испытаниях образцов с надрезом характеристики пластичности оказываются ниже, чем при аналогичных статических испытаниях. Характер изменения пластичности и вязкости с увеличением скорости деформации зависит от типа разрушения (срез или отрыв) ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ НА ИЗГИБ ОБРАЗЦОВ С НАДРЕЗОМ. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ. УДАРНАЯ ВЯЗКОСТЬ При динамических испытаниях закон подобия не действует. Поэтому здесь необходима жесткая унификация размеров образцов и условий проведения испытания. б 131

132 Основным образцом по ГОСТ служит стержень с квадратным сечением мм и длиной 55 мм (рис. 18.2). В образцах Шарпи U- образный надрез наносится посередине длины. Он имеет ширину и глубину 2 и радиус закругления 1 мм. Допускается использование образцов и шириной В=7,5; 5 и 2 мм. В последнем случае высота Н=8 мм. Образцы с V-образным концентратором имеют те же габариты и отличаются только геометрией надреза. Третий тип образцов, предусмотренный ГОСТ , имеет Т- образный концентратор (надрез с усталостной трещиной). Длина L этих образцов тоже 55 мм, а высота сечения Н = 11 мм при В = 10; 7,5 или 5 мм. Допускается применение образцов с В=2 мм и Н=9 мм, В = Н=10 мм и В = Н=25 мм. В последнем случае L = 140 мм. Рис Образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб (ГОСТ ), [1] Образцы с V-образным концентратором (образцы Менаже) являются основными и используются при контроле металлических материалов для ответственных конструкций (летательных аппаратов, транспортных средств и т. д.). Образцы Шарпи с U-образным надрезом рекомендуется применять при выборе и приемочном контроле металлов и сплавов до установления норм на образцы с V-образным концентратором. Образцы с надрезом и трещиной предназначены для испытания материалов, работающих в особо ответственных конструкциях, где сопротивление развитию трещины имеет первостепенное значение. При испытании образцов с L = 55 мм расстояние между опорами должно быть 40 мм. Изгибающий нож имеет сечение в виде треугольника с углом при вершине 30 и радиусом закругления 2 мм. Испытания на изгиб проводят на маятниковых копрах с предельной энергией, не превышающей 300 Дж. (1Дж=0,1 кгс м) 132

133 Рис Схема ударного испытания на изгиб на маятниковом копре, [1] Схема испытания приведена на рис Образец кладут горизонтально в специальный шаблон, обеспечивающий установку надреза строго в середине пролета между опорами. Удар наносят со стороны, противоположной надрезу, в плоскости, перпендикулярной продольной оси образца. Маятник копра закрепляется в исходном верхнем положении. По шкале фиксируется угол подъема маятника α. Затем крепящую защелку вынимают, маятник свободно падает под собственной тяжестью, ударяет по образцу, изгибает и разрушает его, поднимаясь относительно вертикальной оси копра на угол β. Этот угол тем меньше, чем большая работа К затрачена маятником на деформацию и разрушение образца. Скорость копра υ к, м/с, в момент удара по образцу зависит от высоты подъема Н (рис. 18.3) υ к =(2gН) 1/2, где g ускорение свободного падения. Величина работы деформации и разрушения определяется разностью потенциальных энергий маятника в начальный (после подъема на угол α) и конечный (после взлета на угол β) моменты испытания: К=Р(Н h), где Р вес маятника; Н и h высоты подъема и взлета маятника (см. Рис. 18.3). Если длина маятника L, то h=l (1 соs β), Н = L (1 соs α) и, следовательно, К=РL(соs β соs α) (18.1) Формула (18.1) служит для расчета работы К по измеренным углам α и β (Р и L постоянны для данного копра). Шкала копра может быть проградуирована в единицах работы, если угол подъема маятника α фиксирован. Часть энергии удара затрачивается на сотрясение копра и фундамента, преодоление сопротивления воздуха, на трение в подшипниках и в измерительном устройстве, на смятие образца на опорах и под ножом, на сообщение энергии обломкам образца и на упругую деформацию штанги маятника. На копрах, применяемых при обычных испытаниях металлов, большинство этих потерь не поддается учету, в результате получаемые значения К оказываются завышенными на несколько процентов. Особенно велики потери энергии при несовпадении оси удара и середины надреза на образце. Поэтому величины ударной вязкости, определенные на различных копрах, могут отличаться друг от друга на %. Точность определения работы излома тем выше, чем меньше превышение запаса работы маятника над работой деформации и разрушения образца; нужно стремиться, чтобы угол β после разрушения образца был небольшим. Зная полную работу деформации и разрушения, К можно рассчитать основную характеристику, получаемую в результате рассматриваемых испытаний ударную вязкость: КС = К/F (18.2) 133

134 где F площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. Стандартная размерность ударной вязкости Дж/м 2 или Дж/см 2 (1 Дж/см 2 =0,1 кгс м/см 2 ; 1 Дж/м 2 =10 кгс м/см 2.) В зависимости от вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V или T). Например, КСV ударная вязкость, определенная на образце с V-образным концентратором при комнатной температуре. Ударная вязкость это сложная, комплексная характеристика, зависящая от совокупности прочностных и пластических свойств материала. Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию и разрушение, определяется площадью под диаграммой динамического изгиба. Ее величина, следовательно, будет тем больше, чем выше пластичность и уровень напряжений течения на всем протяжении испытания. Количественно величину деформируемого объема при ударном испытании определить трудно. Поэтому при расчете ударной вязкости полную работу деформации разрушения относят не к объему, а к площади F поперечного сечения в надрезе, что, строго говоря, не имеет физического смысла. При испытании стандартных образцов величина F постоянна и, следовательно, ударная вязкость прямо пропорциональна полной работе K. Поскольку в разных материалах или при различных температурах испытания пластически деформируются различные объемы, то при одинаковых значениях К получаются разные величины удельной работы (в расчете на единицу объема). Ударная же вязкость в этом случае оказывается одинаковой. Таким образом, характеристика ударной вязкости является условной, и это необходимо учитывать при сопоставлении разных материалов ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ И ПОНИЖЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Ударные испытания, как и статические, можно проводить при отрицательных и повышенных температурах. Методика этих испытаний регламентирована стандартами. По ГОСТ динамический изгиб при отрицательных температурах производят с использованием тех же образцов, что и при комнатной. Образец выдерживают в жидком хладагенте не менее 15 мин при температуре на 2 6 С ниже заданной, затем вынимают из ванны, устанавливают на копер и немедленно испытывают. Аналогичная методика используется при высокотемпературных испытаниях (ГОСТ ). Предварительный нагрев образцов рекомендуется вести в муфельных печах, при необходимости в нейтральной атмосфере, перегревая относительно заданной температуре на 3 50 С в зависимости от ее абсолютной величины. При этом время установки образца с момента выемки из печи до удара маятника должно быть не больше 3 5 с. 134

135 Для обозначения ударной вязкости при пониженной или повышенной температурах используется цифровой индекс, соответствующий температуре испытания. Например, КСТ -60 ударная вязкость, определенная на образце с Т-образным концентратором при 60 С. В ГОСТ рекомендуется при обозначении ударной вязкости указывать также максимальную энергию удара маятника, Дж, глубину концентратора, мм, в испытанном образце и его ширину, мм. Например, КСU /3/7,5 ударная вязкость, определенная на образце с U- образным концентратором при 100 С на копре с максимальной энергией удара маятника 150 Дж при глубине концентратора 3 мм и ширине образца 7,5 мм. Если используется копер c максимальной энергией удара маятника 300 Дж и образец шириной 10 мм с глубиной концентратора 2 мм, то эти данные в обозначение ударной вязкости не вводятся (пишется просто КСU +100 ) ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Для чего используют динамические испытания? 2. К чему приводит повышение скорости деформации? 3. Как меняются свойства при динамических испытаниях в сравнении со статическими? 4. Действует ли закон подобия при динамических испытаниях? 5. Какие существуют типы надрезов в образцах для динамических испытаний? 6. На чем проводят динамические испытания на изгиб? 7. В чем заключается метод ударного испытания на изгиб? 8. Как определяется работа, затраченная маятником на деформацию и разрушение образца? 9. Почему величины ударной вязкости, определенные на различных копрах, могут отличаться друг от друга на %? 10. Как рассчитывается ударная вязкость? 11. Назовите размерность ударной вязкости. 12. Как обозначается ударная вязкость при пониженной или повышенной температурах? ЛЕКЦИЯ 19 ТЕМПЕРАТУРА ХРУПКО-ВЯЗКОГО ПЕРЕХОДА. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ ПЛАН 19.1 Оценка температуры хрупко-вязкого перехода 19.2 Определение составляющих полной работы деформации и разрушения образца. Характеристики динамической вязкости разрушения 19.3 Влияние состава и структуры металлов и сплавов на ударную вязкость и характеристики динамической вязкости разрушения 135

136 19.1 ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРЫ ХРУПКО-ВЯЗКОГО ПЕРЕХОДА Одной из важнейших задач ударных испытаний является оценка склонности к хрупкому разрушению. Эта задача решается построением температурной зависимости ударной вязкости и определением температуры хрупко-вязкого перехода. Возможны три типа кривых ударная вязкость температура (рис. 19.1). КС 1 3 Рис Типы температурных зависимостей ударной вязкости Т 2 Кривая 1 характерна для вязких даже при отрицательных температурах материалов, например металлов (медь, алюминий) и сплавов (аустенитные стали) с ГЦК решеткой. Кривая 2 получается при испытании хрупких в широком диапазоне температур материалов, например закаленных на мартенсит сталей. Кривая 3 характеризуется температурным интервалом хрупковязкого перехода, по ней можно оценить Т хр. Такой тип кривых КС Т типичен для металлов с ОЦК и ГП решетками, многих сталей с феррито-перлитной структурой. Зная Т хр и рабочую температуру Т р испытуемого материала, можно оценить его температурный запас вязкости (формула 19.1): χ=(т Р Т хр )/Т р (19.1) Чем больше χ, тем меньше опасность хрупкого разрушения. Поскольку хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе четко различается по виду излома (блестящий «кристаллический» или матовый, волокнистый), Т хр можно определять по структуре излома. За Т хр принимают температуру, при которой в изломе появляются первые участки хрупкого разрушения или он становится полностью хрупким. Возможна также оценка Т хр как температуры, соответствующей равным долям хрупких и вязких участков разрушения в изломе. Динамические испытания на изгиб надрезанных образцов являются самыми жесткими среди стандартных испытаний. Для оценки температуры хрупко-вязкого перехода эти испытания применяют в тех случаях, когда статические испытания не позволяют выявить эту температуру (образцы пластичны вплоть до глубоких отрицательных температур). Полезны они и для оценки этой температуры у материалов, которые могут подвергаться ударным нагружениям при эксплуатации. Ударные испытания часто используют для определения «максимальной» Т хр. Переход в хрупкое состояние в условиях динамического нагружения происходит при более высоких температурах, чем при статических испытаниях. Поэтому оценка склонности к хрупкому 136

137 разрушению в наиболее жестких условиях представляет самостоятельный интерес ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ ПОЛНОЙ РАБОТЫ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ ОБРАЗЦА. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ Определение температуры хрупко-вязкого перехода по температурной зависимости ударной вязкости имеет ряд принципиальных недостатков. Главный из них заключается в том, что ударная вязкость характеризует суммарное сопротивление образца пластической деформации и разрушению. Определяя Т хр, оценивают только сопротивление разрушению, т. е. распространению трещины. Для того чтобы выделить эту составляющую полной работы К п используют следующий метод. На копре с постепенно увеличивающимся запасом работы маятника (увеличением угла α, Рис. 18.3) испытывают несколько образцов и строят зависимость угла загиба от полной работы К п (рис. 19.2). Если образцы (при малых углах подъема маятника) не разрушаются, то величину К п принимают равной запасу работы маятника РН=L (1 - соs α ). Угол загиба практически линейно возрастает до определенной величины β мах по мере увеличения поглощенной энергии, а затем остается постоянным. Момент достижения β мах соответствует минимальной работе К п, при которой уже происходит разрушение. Следовательно, можно считать, что после появления трещины у надреза ее дальнейшее распространение не требует дополнительной пластической деформации образца. Тогда работу удара, которая Рис Схема определения составляющих работы ударного изгиба (Л.С. Лившиц, А.С. Рахманов) затрачивается только на разрушение (распространение трещины), можно определить К разр = К п К упр К пл, (19.2) где К п полная работа, затраченная маятником (правее точки b на рис К п = К) К упр работа, пошедшая на упругую деформацию (отрезок Оа, отсекаемый восходящей прямой аb на оси абсцисс); К пл работа, затраченная на пластическую деформацию. Температуры, ниже которых К разр материала близки к нулю, опасны для его практического использования, поскольку возникшая по какой-либо причине трещина может самопроизвольно развиваться, не требуя для своего роста почти никакой, подводимой извне энергии. β β max K упр К пл b К разр 0 а К П 137

138 Полную работу К (или ударную вязкость КС) можно разделить на составляющие, определяющие работу зарождения и работу распространения трещины. Для этого при заданной температуре испытывают несколько образцов при двукратном приложении ударной нагрузки. Первый удар наносят маятником, поднятым на заведомо меньший угол, чем необходимо для полного разрушения. При этом вблизи надреза зарождается трещина. Затем наносят разрушающий образец второй удар, подняв маятник на высоту, используемую при стандартных испытаниях, фиксируют величину ударной вязкости КС' и измеряют глубину полученной при первом ударе трещины l, например, с помощью 10 % -ного щелочного раствора двухлористой меди, который окрашивает трещину из-за осаждения на ее поверхности слоя меди. Исходя из того, что при втором ударе работа, пропорциональная КС', расходуется только на распространение трещины, строят диаграмму в координатах длина трещины 1 КС"(КС"=КС КС'), где КС стандартная ударная вязкость, определенная в результате однократного удара (рис. 19.3). Точка пересечения прямой l КС" с осью абсцисс дает величину КС 3, пропорциональную работе зарождения трещины, а разность КС КС 3 = КС р долю ударной вязкости, приходящуюся на распространение трещины. l КС / КС з КС р КС КС // Рис Схема разделения ударной вязкости на составляющие (Отани) Работа распространения трещины не меняется при изменении остроты надреза и становится ничтожно малой при температурах, более высоких, чем обычная Т хр, когда ударная вязкость еще достаточно высока. Следовательно, большая величина КС не гарантирует вязкого разрушения. В реальных условиях материал может оказаться хрупким, так как энергия распространения в нем трещины близка к нулю. Разделить ударную вязкость на две составляющие КС 3 и КС р можно, построив зависимость КС от радиуса кривизны надреза r. Действие очень острого надреза аналогично действию зародышевой трещины. Поэтому при значениях радиуса закругления надреза, меньших какого-то критического, величина ударной вязкости будет постоянна. В координатах КС r эта зависимость будет иметь вид представленный на рис

139 вязкость разрушения Постоянный уровень значений ударной вязкости при r<r кр соответствует КС Р, пропорциональной работе распространения трещины, а КС 3 =КС КС р. Нестандартные методы ударных испытаний на изгиб наглядно демонстрируют сильное влияние трещин на результаты определения динамических свойств. Учитывая это, а также большую вероятность наличия трещин в реальных конструкциях, важно разработать такую методику, которая бы позволяла проводить испытания образцов с заранее внесенной в них трещиной. ГОСТ предусматривает испытания образцов с предварительно введенной усталостной трещиной. Работу удара КТ (и величину ударной вязкости КСТ) таких образцов можно считать полностью затраченной только на распространение трещины. Естественно, что абсолютные значения КСТ всегда меньше, чем КСU и КСV. Различные методы оценки ударной вязкости дают разные температурные области перехода из хрупкого со стояния в пластичное. Наиболее низкие значения Т хр получаются при использовании статического растяжения Рис Схема зависимости ударной вязкости от радиуса надреза Рис Схема зависимости ударной вязкости от скорости деформации образца с надрезом, наиболее высокие при ударном нагружении, когда оценивается работа распространения трещины. По динамическим испытаниям образцов с трещиной можно оценить динамическую вязкость разрушения при плоской деформации К Iд. Величина К Iд < К Iс, поскольку с увеличением скорости деформации вязкость разрушения снижается (рис. 19.5).Для экспериментального определения К Iд можно использовать стандартный образец с трещиной, но при этом необходимо записывать диаграмму изгиба, чтобы определить разрушающую нагрузку Р мах, необходимую для расчета: К Iд = (Р мах М)/(ВН 1/2 ) Y, где В и Н ширина и высота сечения образца; Y коэффициент, зависящий от отношения длины надреза и трещины к высоте сечения (h/h); М расстояние между опорами маятникового копра. По результатам ударных ипсытаний образцов с надрезом и трещиной можно определить критическое раскрытие трещины δ сд =0,5(H h) (π/180)α, где α угол изгиба. КС р КС КС з K IС скорость деформации r кр 1 r K Iд 139

140 19.3 ВЛИЯНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ НА УДАРНУЮ ВЯЗКОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ РАЗРУШЕНИЯ Ударная вязкость, особенно КСТ, и характеристики динамической вязкости разрушения, определяя в основном сопротивление материала разрушению, зависят от состава и структуры металла и сплавов во многом аналогично характеристикам трещиностойкости при статическом нагружении. Высокая ударная вязкость (более Дж/см 2 у разных групп сплавов) характерна для чистых по примесям, высокопластичных однофазных металлов и сплавов или гетерогенных по структуре сплавов с небольшим количеством избыточных фаз или оптимальными их размерами и распределением. Легирование чаще всего снижает ударную вязкость (рис. 19.6). Рис Зависимость механических свойств и температуры хрупко-вязкого перехода сталей с феррито-перлитной структурой от концентрации углерода, [1] Очистка от примесей, особенно приводящих к образованию хрупких избыточных фаз, повышает ударную вязкость. Аналогично К Iс меняется ударная вязкость и в зависимости от размера зерна, старения, направления вырезки образцов. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Как оценить температурный запас вязкости материала? 2. Как по величине температурного запаса вязкости судят об опасности хрупкого разрушения? 3. В каких случаях применяют динамические испытания для оценки температуры хрупко-вязкого перехода? 140

141 4. Какие недостатки имеет определение температуры хрупко-вязкого перехода по температурной зависимости ударной вязкости? 5. Как определяется работа удара, затрачиваемая только на разрушение? 6. Каким образом полную работу можно разделить на составляющие, определяющие работу зарождения и работу распространения трещины? 7. Как обозначаются характеристики динамической вязкости разрушения? 8. Какие факторы приводят к увеличению ударной вязкости? РАЗДЕЛ 5 ЖАРОПРОЧНОСТЬ ЛЕКЦИЯ 20 ЖАРОПРОЧНОСТЬ ПЛАН 20.1 Явление ползучести. Виды ползучести: обратимая, низкотемпературная, высокотемпературная, диффузионная 20.2 Механизмы деформации при ползучести разных видов Большое количество деталей машин и механизмов работает при повышенных температурах. Надежность их работы определяется жаропрочностью, способностью металлов работать под напряжением при повышенных температурах без заметной остаточной деформации и разрушения. Для количественной оценки характеристик жаропрочности металлов и сплавов в основном используют испытания на ползучесть и длительную прочность ЯВЛЕНИЕ ПОЛЗУЧЕСТИ. ВИДЫ ПОЛЗУЧЕСТИ Любой материал под действием постоянного напряжения может в определенных условиях деформироваться с течением времени. Явление непрерывной деформации под действием постоянного напряжения называется ползучестью. В зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны четыре вида ползучести, области реализации которых, представлены на рис По оси абсцисс отложена гомологическая температура, а по оси ординат отношение приложенного напряжения сдвига к модулю сдвига (t/g). 141

142 t/g Рис Диаграмма основных видов Ползучести 1 неупругая (обратимая) ползучесть; 2 - низкотемпературная (логарифмическая) ползучесть; 3 высокотемпературная ползучесть; 4 - диффузионная ползучесть При напряжениях ниже критического напряжения сдвига t кр протекает неупругая обратимая ползучесть. Поскольку неупругая ползучесть обратима, она обычно не опасна для конструкций, и поэтому специальных испытаний на ползучесть при напряжениях ниже t кр не проводят. При напряжениях выше t кр в области относительно низких температур идет логарифмическая, а при высоких (> 0,4-0,6 Т пл ) высокотемпературная ползучесть. Низко- и высокотемпературная ползучесть могут протекать при напряжениях, значительно меньших макроскопического предела текучести поликристаллического материала. Для практики наиболее важна высокотемпературная ползучесть. Стандартные испытания проводят именно в этой области. При высоких температурах (> 0,5-0,8 Т пл ) и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть МЕХАНИЗМЫ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ ПОЛЗУЧЕСТИ РАЗНЫХ ВИДОВ Основным первичным результатом испытания на ползучесть при заданной температуре и постоянном t > t кр является кривая ползучести в координатах относительная деформация время, которую строят по данным систематического измерения деформации образца в процессе испытания. Изменение характера кривых ползучести с повышением температуры испытания при постоянном напряжении показано на рис δ δ пл A A A 0 t B C t кр /G Т/Т пл Рис Кривые ползучести при разных температурах (t 1 <t 2 <t 3 ) 3 4 C t 1 t 2 B D Кривая типа ОАВ получается при низкотемпературной (логарифмической) ползучести, OA'BCD и ОА"С при высокотемпературной. Зависимость δ от времени η при низкотемпературной зависимости: δ=аln(1+ η)+b (20.1) С течением времени логарифмическая ползучесть быстро затухает. Считается, что при логарифмической ползучести достаточно полный термический возврат не успевает проходить, тогда снижение 142

143 скорости ползучести υ п =dδ/dη можно объяснить моделью «истощения» дислокаций. Допустим, в образце имеется какое-то число дислокационных отрезков, и каждый из них может переместиться один раз (до остановки у какого-либо препятствия). После приложения нагрузки и упругого удлинения образца (рис. 20.2, ОА) наиболее благоприятно ориентированные дислокации переместятся, и произойдет пластическая деформация. В условиях постоянства приложенного напряжения оставшиеся дислокации будут удерживаться препятствиями, но с течением времени флуктуации тепловой энергии вызовут движение большинства этих дислокационных отрезков (в основном за счет поперечного скольжения) и соответствующий прирост удлинения. Постепенно термически активируемое скольжение будет затухать (истощаться) из-за уменьшения числа дислокационных отрезков, способных перемещаться и вызывать деформацию. В результате затухает скорость прироста относительного удлинения. Логарифмическая ползучесть слабо зависит от температуры испытания и приложенного напряжения. Ее практическое значение мало, поскольку величина удлинения при реальных для конструкций напряжениях обычно небольшая, быстро стабилизируется во времени, и не может существенно вырасти даже при очень длительных выдержках. Логарифмическая ползучесть является неустановившейся: ее скорость непрерывно изменяется (уменьшается) со временем. С неустановившейся стадии начинается и высокотемпературная ползучесть (рис. 20.2, отрезок А'В на кривой OA'BCD). Затем начинается стадия установившейся ползучести ВС, при которой скорость ползучести постоянна. Заканчивается кривая высокотемпературной ползучести участком разрушения CD, до которого при испытаниях на ползучесть чаще всего не доходят. Кривые ползучести, подобные ОA'BCD, типичны для условий стандартных испытаний на ползучесть. Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной заключается в более полном протекании возврата, который обеспечивается переползанием дислокаций. При высокотемпературной ползучести возможны также некоторые рекристаллизационные процессы. Изменение скорости высокотемпературной ползучести на неустановившейся стадии подчиняется уравнению υ п.уст =AS n (20.2) где показатель степени п в большинстве случаев близок к 2 /з вместо 1 при логарифмической ползучести. Если п = 2 /з, то δ = βη 1/3, (20.3). Уменьшение п при переходе от логарифмической к неустановившейся высокотемпературной ползучести можно понять с позиций модели истощения. Если процессы возврата успевают проходить более полно, то, по крайней мере, часть дислокационных отрезков после первой активации может стать способной к повторному перемещению, что вызовет дополнительную деформацию и прирост υ n. 143

144 Одна из дислокационных моделей, дающих кубический закон ползучести (20.3), сводится к следующему. Рассмотрим небольшую область кристалла. Уровень напряжений в этой области определяется наличием дислокаций в соседних участках. Переход одной дислокации в более удаленные области (любым способом) уменьшает уровень напряжения в рассматриваемом объеме на какую-то величину ΔS 1. Наоборот, если подобная же дислокация приходит в соседнюю область и остается там (закрепляется упругим полем скопления у какого-либо барьера), то уровень напряжения в интересующей нас области повысится на ΔS 1. Ползучесть (пластическая деформация) в этом объеме будет идти, если обеспечена возможность движения дислокаций. Предполагается, что при неустановившейся высокотемпературной ползучести источники дислокаций могут работать (генерировать новые петли дислокаций) вследствие уменьшения запирающего напряжения из-за непрерывного ухода дислокаций из скопления путем поперечного скольжения и переползания. Статистический расчет показывает, что с учетом поперечного скольжения и переползания после совершения п беспорядочно чередующихся переходов дислокаций из соседних областей величина напряжений в нашем объеме повысится до n 1/2 ΔS 1. Эта величина может оказаться достаточной для приведения в действие дислокационных источников. Принципиально ползучесть на установившейся стадии не отличается от неустановившейся. Установившаяся стадия рассматривается как некое равновесное состояние, подготовленное неустановившейся ползучестью. Элементарные процессы, идущие на обеих стадиях, одинаковы, различна только полнота их протекания. Пластическая деформация при ползучести вызывает увеличение плотности дислокаций и деформационное упрочнение. В то же время возврат приводит к уменьшению плотности дислокаций и разупрочнению металла. В результате при высокотемпературной ползучести в металле формируется полигонизованная субструктура. Основные процессы, определяющие возврат, поперечное скольжение и переползание дислокаций. При относительно малом времени выдержки, когда переползание дислокаций еще не успевает проходить в достаточной степени, возврат идет в основном вследствие поперечного скольжения. В этом случае ползучесть оказывается неустановившейся: скорость ее все время уменьшается из-за прогрессирующего, хотя и замедляющегося деформационного упрочнения (число аннигилирующих дислокаций меньше числа возникающих при деформации). Затем наступает момент, начиная с которого число переползающих краевых дислокаций становится достаточным для полного возврата (равенства образующихся и исчезающих дислокаций). С этого момента и наблюдается стадия установившейся ползучести. Скорость установившейся ползучести с повышением температуры испытания быстро растет из-за ускорения диффузионного процесса переполза- 144

145 ния. При постоянном напряжении υ п.уст = К о ехр( Q/kT), где К о постоянная, определяемая уровнем напряжений; Q энергия активации ползучести, также зависящая от уровня напряжения. Деформация при высоких температурах и низких напряжениях может быть не связана с перемещением дислокаций, а явиться результатом направленного диффузионного массопереноса. При отсутствии внешних напряжений преимущественного переноса атомов в определенных направлениях не происходит. Но если металлический кристалл находится в поле напряжений, где есть растягивающие и сжимающие компоненты, то концентрация вакансий оказывается неодинаковой на растянутых и сжатых поверхностях, что вызывает направленный поток вакансий и противоположно направленный поток атомов, в результате дающий макроскопическое изменение формы кристалла. Рассмотрим кубическое зерно в поликристалле с ребром d, находящееся в плосконапряженном состоянии (рис. 20.3). Допустим, что внутри зерна нет дислокаций, и поэтому местами стока вакансий могут служить только его границы. На горизонтальных границах, находящихся под действием растягивающих напряжений S, энергия образования вакансий понижена на величину Sb 3, где b 3 объем одного атома, а на вертикальных (сжатых) границах эта энергия повышена на ту же величину. Действительно, образование вакансии на сжатой границе равнозначно выходу на нее одного атома из кристалла. Если атом куб с ребром b, то для его выхода на поверхность границы потребуется затратить работу против внешнего напряжения S, равную Sb 2. b=sb 3. В результате концентрация вакансий на растянутых границах окажется выше, чем на сжатых возникнет градиент концентрации вакансий, который приведет к их направленному перемещению от горизонтальных к вертикальным границам вдоль сплошных стрелок на рис Встречный поток атомов (вдоль пунктирных стрелок) вызовет удлинение и соответствующее сужение зерна. Рассмотренная модель диффузионной ползучести носит имя ее авторов Набарро и Херринга. Помимо ползучести Набарро Херринга, которая учитывает перенос вещества через объем кристаллов, существует диффузионная ползучесть Кобла, который предположил, что диффузионные потоки идут не по объему, а вдоль границ зерен. d C + C - Рис Направление движения вакансий и атомов (пунктир) при диффузионной ползучести 145

146 Направленный массоперенос по объему и границам зерен проходит одновременно, а их вклад в деформацию будет различным в зависимости от температуры, напряжения и размера зерна. Зернограничная диффузия идет значительно быстрее, чем объемная, поэтому ползучесть Кобла должна вносить тем больший относительный вклад в общую диффузионную ползучесть, чем ниже температура. Если раньше считали, что диффузионная ползучесть существенна только при очень высоких температурах (выше 0,8 0,9 Т пл ), то теперь установлено ее большое практическое значение (в первую очередь ползучести Кобла) во всем температурном интервале высокотемпературной ползучести, т.е. выше 0,4 0,6 Т пл. Из диаграммы на рис видно, что температурно-силовые области проявления диффузионной и высокотемпературной ползучести с возвратом сильно перекрываются. Вклад диффузионной ползучести в общее удлинение в этих условиях тем значительнее, чем выше температура, ниже напряжение и меньше размер зерна. Основными факторами, определяющими механизм деформации и величину скорости ползучести, являются температура T, напряжение S (t) и размер зерна d. Поэтому получили распространение предложенные Эшби карты механизмов деформации, которые чаще всего строят в координатах η Т при d = const. (рис. 20.4). При заданных значениях S и Т ползучесть может осуществляться за счет действия нескольких механизмов деформации. Границы соседних областей на рис это геометрическое место точек температур и напряжений, обеспечивающих одинаковый Рис Карта механизмов деформации для никеля: 1 - дислокационное скольжение; 2 - дислокационная ползучесть; 3 диффузионная ползучесть Кобла; 4 диффузионная ползучесть Набарро-Херринга. [1] вклад двух конкурирующих механизмов деформации в общую ползучесть, а точки встречи трех областей соответствуют равенству вкладов трех механизмов деформации. Положение границ областей рассчитывают по уравнениям скорости различных видов ползучести. Карты механизмов деформации полезны для наглядного изображения смены доминирующих механизмов ползучести при изменении условий нагружения, а также размера зерна в материале. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют жаропрочностью? 2. Что называют ползучестью? 146

147 3. Виды ползучести? 4. Что является основным первичным результатом испытания на ползучесть? 5. Почему практическое значение логарифмической ползучести мало? 6. Основное отличие высокотемпературной ползучести от низкотемпературной. 7. Что вызывает пластическая деформация при ползучести? 8. Какие основные процессы определяют возврат? 9. Что учитывает модель диффузионной ползучести Набарро Херринга? 10. Что учитывает модель диффузионной ползучести Кобла? 11. Какие основные факторы, определяют механизм деформации и величину скорости ползучести? 12. В каких координатах строятся карты механизмов деформации? ЛЕКЦИЯ 21 ИСПЫТАНИЯ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ ПЛАН 21.1 Испытания на ползучесть. Образцы и испытательные машины. Стандартная методика определения предела ползучести 21.2 Особенности пластической деформации в условиях ползучести при высоких температурах 21.1 ИСПЫТАНИЯ НА ПОЛЗУЧЕСТЬ. ОБРАЗЦЫ И ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ МАШИНЫ. СТАНДАРТНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ПОЛЗУЧЕСТИ Основной целью стандартных испытаний на ползучесть при растяжении (ГОСТ ) является определение предела ползучести материала. Предел ползучести это наибольшее условное растягивающее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время достигают заданной величины. В случае высокотемпературной ползучести имеется в виду скорость на установившейся стадии. Если допуск дается по скорости ползучести, то предел ползучести обозначается буквой ζ с двумя индексами нижний соответствует заданной υ п, 1100 %/ч, а верхний температуре испытания, С. Например, это предел ползучести при 1100 С и υ п = %/ч. Если задается относительное удлинение и время его достижения, то в обозначение предела ползучести вводят три индекса: один верхний соответствует температуре испытания, а два нижних деформации и времени. Например, 800 1/1000 предел ползучести при 800 С, когда δ =1 % достигается за 1000 ч. 147

148 Испытания проводят на образцах с круглым или прямоугольным сечением рабочей части (рис. 21.1). Цилиндрический образец имеет диаметр 10 и расчетную длину 100 или 200 мм, плоский ширину 15 и расчетную длину 100 мм. Допускается использование других образцов с диаметром d 0 5 мм и расчетной длиной l 0 = 5d 0 или 10d 0. Форма и размеры головок определяются конструкцией захватов испытательной машины и необходимостью крепления тензометра (рис. 21.1). Головки делают резьбовыми, что обеспечивает наиболее прочное крепление образца в захватах. Основные характеристики машин для испытаний на ползучесть и длительную прочность регламентирует ГОСТ Испытательная машина должна состоять из следующих основных блоков: нагружающего устройства, нагревательной печи с терморегулятором, приборов для измерения температуры и деформации. Поскольку для определения предела ползучести при одной температуре требуется несколько образцов и испытания продолжаются в течение сотен и тысяч часов, нагружающие устройства конструируют таким образом, чтобы на одной установке можно было одновременно испытывать по нескольку образцов. Нагрузка на образец обычно подается через рычажную систему. Рис Образцы для испытания на ползучесть, [1] 148

149 Испытание проводят в следующей последовательности. Устанавливают образец в захватах, закрепляют на нем термопары и измеритель деформации, а затем упруго нагружают его при комнатной температуре для проверки правильности центровки в захватах. После этого надвигают на образец печь, где он постепенно (не более 8 ч) нагревается до заданной температуры и выдерживается при ней не менее 1 ч. Затем подают предварительную нагрузку, равную ~ 10 % от общей, и в течение 5 мин следят за показаниями измерителя деформации. Если показания остаются постоянными, производят плавную догрузку образца до заданной величины. Через определенные промежутки времени фиксируют величину удлинения и по результатам этих замеров строят первичную кривую ползучести, либо кривая ползучести записывается автоматически во время испытания. При определении предела ползучести допуск на удлинение составляет от 0,1 до 1 % за 100, 300, 500 или 1000 ч. В некоторых случаях, например для жаропрочных материалов, используемых в энергомашиностроении, это время может быть больше, вплоть до ч. Задаваемая скорость ползучести в большинстве случаев колеблется в пределах %/ч, чаще всего %/ч. Кривая ползучести при высокой температуре имеет вид, подобный OABCD на рис Для расчета предела ползучести испытывают как минимум четыре образца при разных нагрузках (напряжениях). Для сокращения времени испытаний эти напряжения выбирают заведомо больше предела ползучести. Испытания прекращают на стадии установившейся ползучести, когда ее длительность будет достаточной для точного определения υ п.уст. Это условие необходимо, поскольку допуск при определении предела высокотемпературной ползучести часто дается именно по величине υ п.уст. По ГОСТу продолжительность испытания для определения предела ползучести с допуском по скорости установившейся ползучести должна быть не менее ч, причем не менее 500 ч должно приходиться на установившуюся стадию. Получают серию первичных кривых ползучести при разных напряжениях (рис а) и для каждой из них подсчитывают υ п.уст. Затем в логарифмических координатах строят зависимость скорости установившейся ползучести от напряжения. Эта зависимость должна быть линейной (рис б). Продолжая прямую, построенную по экспериментальным точкам при относительно высоких ζ (до заданного значения υ п.уст ), определяют предел ползучести. 149

150 δ 5 lg а ν п.задан б lgν п.уст Рис Схема определения пределов ползучести: а кривые ползучести при разных напряжениях; б зависимость υ п.уст от напряжения Если допуск задается по величине удлинения за определенное время, то по первичным кривым ползучести строят зависимости времени достижения заданного значения δ от напряжения и по ней определяют предел ползучести. Помимо растяжения, в ускоренных испытаниях на ползучесть используют и другие схемы нагружения: изгиб, сжатие и др ОСОБЕННОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ В УСЛОВИЯХ ПОЛЗУЧЕСТИ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Основным механизмом пластической деформации при высокотемпературной ползучести с возвратом является скольжение дислокации. Особенности деформации при ползучести обусловлены очень малыми ее скоростями, на пять десять порядков меньше, чем при обычных статических испытаниях. Наиболее важная особенность, общая и для дислокационной, и для диффузионной ползучести, это интенсивное развитие межзеренной деформации. В первую очередь следует отметить возможность изменения систем скольжения. Так, например, в алюминии (ГЦК решетка) помимо систем скольжения {111} <110> при высокотемпературной ползучести действуют также системы {100} <110> и {211} <110>. В металлах с ГП решеткой развивается небазисное скольжение. В ОЦК металлах при повышенных температурах деформации увеличивается вероятность одновременного скольжения во всех возможных плоскостях {110}, {112} и {123}. Полосы скольжения, выявляемые на поверхности образцов после ползучести, значительно грубее, более волнисты, а расстояния между ними меньше, чем при обычном статическом растяжении. Качественно эта картина соответствует III стадии кривой деформационного упрочнения монокристалла, когда идет поперечное скольжение, а при ползучести и переползание дислокации. Однако между грубыми полосами под микроскопом выявляются 150

151 еще тонкие линии скольжения. Это «тонкое скольжение» может вносить значительный вклад в общее удлинение при ползучести. Увеличение числа систем скольжения в совокупности с интенсивным развитием поперечного скольжения и переползания дислокации облегчает их перемещение по кристаллу. При медленной деформации это создает необходимые условия для формирования стабильных дислокационных конфигураций сеток и стенок (особенно в металлах и сплавах с высокой энергией дефекта упаковки). Развитие полигонизации является важной особенностью пластической деформации при высокотемпературной ползучести как внутри зерен, так и вблизи их границ. Кроме внутризеренного скольжения, значительный вклад в общее удлинение при ползучести вносит межзеренная деформация (зернограничное проскальзывание). Металлографически количественно оценить вклад межзеренной деформации в общее удлинение при ползучести можно по топографии поверхности образца (рис. 21.3). Полигонизация может внести определенный вклад в общее удлинение при ползучести благодаря перемещениям дислокации в процессе образования субзеренных границ (рис. 21.4). Рис Смещение интерференционных полос на линиях скольжения (а), на границе зерна (б), [1] Рис Схема к объяснению вклада полигонизации в деформацию при ползучести Рис Зерна до деформации (а), после диффузионной ползучести без межзеренных смещений (б) и с зернограничным проскальзыванием (в), [1] 151

152 Диффузионная ползучесть тоже сопровождается зернограничным проскальзыванием. Как показал И. М. Лифшиц, без межзеренных смещений удлинение зерен вдоль оси растяжения в результате направленного массопереноса обязательно привело бы к образованию несплошностей на границах (рис. 21.5). Зернограничное скольжение обеспечивает взаимное приспособление (аккомодацию) соседних зерен, сохраняя сплошность материала при диффузионной ползучести. В упрощенном виде механизм смещения можно представить как следствие самостоятельной и различной внутризеренной деформации соседних зерен по обе стороны от границы. При такой деформации всегда имеется составляющая, направленная вдоль межзеренной границы. Эта составляющая деформации и вызывает видимые под микроскопом взаимные смещения зерен вдоль границы. Основным механизмом зернограничного скольжения считают перемещение вдоль поверхности границ зернограничных дислокации. Они порождаются источниками, имеющимися на неплоской в атомном масштабе поверхности границы, и двигаются (консервативно и не консервативно) вдоль этой поверхности под действием напряжений. Такое движение, естественно, приводит к сдвигу одного зерна относительно другого. Под действием напряжений при ползучести развивается миграция границ зерен, которая является одним из проявлений рекристаллизации. Она приводит к снятию концентраций напряжений в приграничных областях и облегчает продолжение здесь пластической деформации. Это может служить дополнительной причиной образования ступенек вблизи границ зерен. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют пределом ползучести? Расшифровать Расшифровать 900 1/ Какие образцы применяют для испытания на ползучесть? 5. Из каких основных блоков должна состоять машина для испытания на ползучесть? 6. Как определяют υ п.уст? 7. Методика определения предела ползучести. 8. Что является основным механизмом пластической деформации при высокотемпературной ползучести с возвратом? 9. Особенности деформации при ползучести. 10. Чем обусловлены особенности деформации при ползучести? 152

153 ЛЕКЦИЯ 22 ИСПЫТАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ. ИСПЫТАНИЯ НА РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ ПЛАН 22.1 Третья стадия ползучести и разрушения 22.2 Испытания на длительную прочность 22.3 Испытания на релаксацию напряжений 22.4 Влияние легирования и структуры на характеристики жаропрочности 22.1 ТРЕТЬЯ СТАДИЯ ПОЛЗУЧЕСТИ И РАЗРУШЕНИЯ В результате высокотемпературной ползучести образец или конструкция со временем могут разрушиться. Полному разрушению предшествует третья стадия ползучести, на которой скорость ползучести непрерывно возрастает. Рост скорости ползучести частично может быть обусловлен ростом напряжения из-за сужения сечения образца (при постоянной нагрузке), особенно когда начинается образование шейки. Но увеличение скорости ползучести сверх υ п.уст наблюдается и в таких условиях, когда формирование шейки и существенное сужение отсутствуют. Поэтому главной причиной ускорения ползучести на третьей стадии считают образование и постепенное развитие пор и трещин по границам зерен, характерное для большинства металлических материалов. Во многих случаях зарождение этих межкристаллитных несплошностей начинается еще раньше на второй и даже на первой стадиях ползучести. Чем выше температура и скорость ползучести, тем раньше начинается образование пустот и трещин. Трещины обычно появляются в месте стыка трех зерен и растут вдоль тех из них, которые примерно перпендикулярны направлению растяжения. На рис а, б приведены возможные варианты образования клино- В В А А а образных трещин. С С Клинообразные трещины возникают при условии прочного закрепления А А границ (например, примесями). Если б В В граница может мигрировать, то вероятность их образования уменьшается. Поэтому клиновидные трещины обычно А А С С встречаются при относительно низких в температурах и высоких напряжениях. В В С повышением температуры и Рис Зарождение снижением действующего напряжения межзеренных трещин их число уменьшается, но зато на межзеренных границах наблюдается все больше мелких пор круглого или эллип- 153

154 тического сечения. Зародышами этих пор или пустот могут быть микронесплошности на границах зерен, имевшиеся еще до начала ползучести. Поры легко могут зарождаться и в процессе ползучести. Для однофазных материалов наиболее вероятными считают два механизма. Первый предполагает межзеренное проскальзывание вдоль границы со ступенькой (рис в). Такие ступеньки высотой до ~40 нм всегда имеются на границах. Кроме того, ступеньки могут появиться в результате деформации на концах полос скольжения. Второй механизм исходит из возможности образования и развития пор в результате слияния вакансий. Рост пор, возникших по первому механизму, по крайней мере на начальных стадиях, также идет за счет стока туда вакансий. Разрастаются далеко не все возникающие при ползучести микропоры. Некоторые из них, не достигшие достаточно большого размера, «залечиваются». Пора становится устойчивой, когда ее радиус r>2γ/s, где S растягивающее напряжение; γ поверхностная энергия. Следовательно, чем выше напряжение, тем меньше размер устойчивой поры. В гетерофазных сплавах образование межкристаллитных пустот в значительной мере связано с частицами избыточных фаз на границах. Они могут затруднять межзеренные смещения, но если последние все-таки будут происходить, то на межфазной границе возникнет несплошность. Вероятность ее образования больше, если поверхностная энергия на границе матрица избыточная фаза велика и частица имеет компактную форму. Часгицы избыточных фаз содержатся даже в относительно чистых металлах, и поэтому их роль в межзеренном разрушении важна для любых материалов. Чисто межзеренное разрушение при ползучести обычно происходит после относительно небольшой деформации (1 5 %). Оно облегчено в условиях высоких температур и низких напряжений (малой скорости ползучести), когда есть возможности и время для вакансионного развития межкристаллитных пустот. Межзеренное разрушение опасно также в области относительно низких температур, когда еще мала скорость возврата и ограничены возможности миграции границ. При промежуточных температурах пластичность максимальна, так как здесь межзеренное разрушение затруднено, и степень внутризеренной деформации достигает значительной величины ИСПЫТАНИЯ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ Для оценки сопротивления материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения проводят испытания на длительную прочность (ГОСТ ). В результате испытаний определяют предел длительной прочности условное наибольшее напряжение, под действием 154

155 которого материал при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени. Иногда предел длительной прочности не рассчитывают, ограничиваясь установлением соответствия между временем до разрушения (долговечностью) под действием заданного напряжения и нормой времени, устанавливаемой стандартом или техническими условиями на металлопродукцию. Методика проведения испытания близка к методике испытаний на ползучесть. Используются те же схемы нагружения (обычно растяжение) и те же испытательные машины. Основные цилиндрические образцы стандартизованы. Они должны иметь рабочую часть диаметром d 0 = 5, 7 или 10 мм и расчетную длину l 0 =5d 0 или 10 d 0. Допускаются другие пропорциональные образцы, но их диаметр должен быть не меньше 3 мм. У плоских образцов l 0 5,65 F 0 где F 0 начальная площадь поперечного сечения. Абсолютные размеры образцов могут заметно сказываться на характеристиках длительной прочности, из-за разного отношения их поверхности к объему. У образцов малого диаметра поверхностный слой, в котором преимущественно образуются трещины, относительно более развит, и поэтому их долговечность может быть ниже, чем у больших образцов. Помимо гладких, используют образцы с надрезом, чаще всего V- образным кольцевым с углом раскрытия 60 или 45. Для определения предела длительной прочности необходимо провести испытание нескольких (5-6) образцов при разных напряжениях. Основным результатом испытания каждого образца является время до разрушения η р при заданном напряжении ζ. η р =В. ζ -m (22.1) где В и т коэффициенты. В логарифмических координатах зависимость (22.1) прямолинейна и, дает возможность экстраполировать результаты на более длительное время. Определив время до разрушения образцов, находившихся под напряжением, заведомо большим предполагаемого предела длительной прочности (чтобы сократить время испытания), строят по экспериментальным точкам прямую lg ζ lg η р и после ее экстраполяции до заданного времени оценивают величину этого предела (рис. 22.2, кривая 1) По стандарту рекомендуемый допуск по, времени составляет от 50 до ч и определяется, как и в случае предела ползучести, требованиями к испытываемому материалу. Иногда зависимость lg ζ lg η р характеризуется точкой перелома (см. Рис. 22.2, кривая 2). Она соответствует переходу от внутрикристаллит-ного lg Рис Схема определения предела длительной прочности 2 1 задан lg р 155

156 или смешанного разрушения к полностью межкристаллитному разрушению при низких напряжениях. В таких случаях экстраполяцию можно проводить, если надежно установлен наклон прямой в области межкристаллитного разрушения. Обработку первичных результатов испытаний и определение предела длительной прочности, как и предела ползучести, следует проводить с использованием статистических методов. Обозначение предела длительной прочности ζ сопровождают двумя индексами: вверху записывают температуру испытания, С, внизу заданную 900 долговечность, ч. Например, 1000 предел 1000-ч прочности при 900 С. Помимо предела длительной прочности, в этих испытаниях оценивают характеристики пластичности относительное удлинение и сужение. Часто деформация фиксируется и в процессе испытания. В результате может быть построена полная кривая ползучести, а по ней определена величина относительного удлинения к концу стадии установившейся ползучести. Эту величину считают характеристикой запаса длительной пластичности материала, она обычно значительно меньше конечного удлинения на стадии разрушения. При высокотемпературных испытаниях на длительную прочность, когда образцы доводят до разрушения, каждый из них последовательно проходит все три стадии ползучести и величина предела длительной прочности определяется поведением материала на всех стадиях, в том числе на стадии разрушения. Факторы, препятствующие развитию пор и трещин, способствуют повышению предела длительной прочности. Таким образом, предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения ИСПЫТАНИЯ НА РЕЛАКСАЦИЮ НАПРЯЖЕНИЙ Релаксацией называют самопроизвольное уменьшение напряжений в материале при неизменном значении величины его общей деформации. Это вызвано переходом упругой деформации в пластическую. При испытаниях на релаксацию оценивают уменьшение макронапряжений во всем образце. Типичным примером детали, работающей в условиях релаксации напряжений, является болт фланцевого соединения. Плотность этого соединения определяется усилием натяга болта, который создается вследствие упругой деформации болта. С течением времени натяг болта (уровень напряжений) ослабевает, так как часть упругой деформации переходит в пластическую. Особенно быстро и значительно релаксируют напряжения при повышенных температурах, когда пластическая деформация облегчается. 156

157 Кривая изменения напряжения во времени (кривая релаксации) в образце, деформированном на постоянную величину, имеет вид, показанный на рис Спад напряжений особенно интенсивен в первые часы. С течением времени кривая приближается к какому-то определенному значению напряжения. Испытания на релаксацию необходимо проводить в следующих условиях: Т=const, ζ const, e ynp const, e п const, е 0 =е упр +e п = const, где Т температура; ζ напряжение в образце; e упр, е п упругая и пластическая деформация; е 0 общая деформация образца. Механизм релаксации связан с постепенным перемещением дислокаций за счет поперечного скольжения и переползания даже в условиях снижающегося внешнего напряжения. Как и при ползучести, при высокотемпературной релаксации напряжений пластическая деформация сопровождается образованием субзеренной структуры и смещениями по границам кристаллитов. Скорость релаксации обычно прямо пропорциональна скорости ползучести: чем выше сопротивление ползучести, тем больше релаксационная стойкость. Испытания на релаксацию проводят по схемам растяжения, изгиба и кручения. Схема установки для испытания на релаксацию при растяжении показана на рис Образец 4 крепится в захватах 2 и 5, помещается в печь 6 и нагружается рычагом 7 от электродвигателя 11 через пружину 10. На границах расчетной длины образца устанавливают измеритель деформации 3. При удлинении образца на величину допуска контакт 1 замыкает цепь регулятора 12, двигатель меняет на правление вращения и ослабляет Рис Схема установки для 'пружину 10. Спад напряжения в образце испытаний на релаксацию напряжений, [1] приводит к его укорочению, и, когда длина образца вновь станет равной начальной, контакт 1 размыкается, образец снова начинает удлиняться и т. д. Кривая релаксации записывается на барабане 8, который вращается двигателем ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ И СТРУКТУРЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЖАРОПРОЧНОСТИ Рис Кривая релаксации напряжений Основные требования к структуре жаропрочных сплавов. Она должна характеризоваться: 1) высокой легированностью твердого раствора медленно диффундирующими компонентами; 157

158 Рис Зависимость относительного прироста сопротивления ползучести ниобия от содержания, [1] вольфрама 2) наличием дисперсных частиц фаз-упрочнителей; 3) стабильностью; 4) повышенной прочностью приграничных зон. Повышение жаропрочности при переходе от чистых металлов к сплавам достигается за счет образования твердых растворов на базе основного металла и частиц избыточных фаз. При выборе основы следует учитывать, что уровень жаропрочности чистого металла связан с температурой его плавления. Чем она выше, тем больше прочность межатомных связей, меньше скорость самодиффузии и, следовательно, меньше при той же температуре скорость ползучести. Поэтому температура солидуса сплавов должна быть по возможности выше. Если температура плавления сплава значительно ниже, чем металла-основы, то при высоких температурах чистый металл может оказаться прочнее сплава. Растворенные атомы повышают сопротивление ползучести за счет их упругого взаимодействия с дислокациями и дефектами упаковки, а также в результате их влияния на диффузионные процессы. Эффект влияния растворимых легирующих элементов может быть значительным. На рис показано, как зависит от концентрации вольфрама в твердом растворе на основе ниобия относительный прирост сопротивления ползучести ΔS= (ζ спл ζ Nb )/ζ Nb, где ζ спл и ζ Nb напряжения, при которых в сплаве и чистом ниобии υ п. уст = 10-5 с -1. Видно, что ΔS растет с повышением легированности твердого раствора и гомологической температуры. Растворенные атомы, как правило, снижают энергию дефектов упаковки. В этом случае дислокации оказываются сильно растянутыми, и их поперечное скольжение и переползание затруднено, что способствует повышению сопротивления деформации при ползучести. Наибольшее снижение энергии дефекта упаковки достигается при введении растворимых легирующих элементов с высокой валентностью. Высокотемпературная ползучесть твердых растворов с большой энергией взаимодействия растворенных атомов с дислокациями имеет ряд особенностей. В таких растворах на дислокациях образуются примесные атмосферы, и механизм ползучести может существенно измениться. Если в чистых металлах при ползучести с возвратом скорость скольжения дислокаций значительно больше скорости переползания, то в твердых растворах наиболее медленным и, следовательно, контролирующим скорость ползучести может стать скольжение дислокаций с примесными атмосферами вязкое скольжение дислокаций. 158

159 Дальний порядок в твердых растворах также повышает сопротивление ползучести, потому что парные (сверхструктурные) дислокации ведут себя аналогично расщепленным. Здесь сила вязкого скольжения обусловлена необходимостью образования антифазной границы при движении сверхдислокаций. Для получения высокой жаропрочности необходимо наличие в структуре частиц избыточных фаз-упрочнителей. Большинство жаропрочных сплавов термически упрочняются. В них частицы избыточных фаз образуются во время старения после закалки. В условиях длительной работы при высоких температурах в стареющих сплавах обычно трудно сохранить максимальную дисперсность выделений, обеспечивающих наименьшую скорость ползучести и высокую длительную прочность. Температура старения на максимальную прочность при низкой (комнатной) температуре составляет 0,5 0,6 Т пл, и поэтому во время эксплуатации при этих и более высоких температурах частицы коагулируют, увеличивается расстояние между ними и снижается эффект упрочнения. Выделения, кристаллографически близкие к матрице, дольше остаются когерентными и не коагулируют. В целях хотя бы частичного предотвращения этого процесса, легирующие элементы выбирают таким образом, чтобы избыточная фаза состояла из медленно диффундирующих компонентов и не содержала металла-основы. Такие фазы обычно представляют собой металлические соединения со сложной решеткой и высокой собственной жаропрочностью. Сплошные оторочки выделений избыточных фаз по границам зерен обычно благотворно сказываются на характеристиках жаропрочности (в противоположность низкотемпературной прочности и пластичности). Максимальной жаропрочностью отличаются дисперсно-упрочненные материалы, содержащие в матрице практически не взаимодействующие с ней частицы, например оксиды, карбиды или бориды. Стабильность строения жаропрочных сплавов при заданных температурах и напряжениях может быть обеспечена в том случае, если в этих сплавах в значительной степени заторможены процессы диффузии. Следует иметь в виду, что все приводящие к разупрочнению структурные превращения, в том числе и развитие рекристаллизации, связаны с диффузионными перемещениями атомов. Скорость диффузии существенно изменяется, если одновременно с диффузионным процессом происходят фазовые превращения. При одновременном воздействии напряжения (вызывающего пластическую деформацию) и температуры коэффициент самодиффузии возрастает при увеличении продолжительности опыта. С увеличением степени деформации роль границ зерен в процессе диффузии уменьшается; при значительных степенях деформации ее ускоряющее действие на диффузию внутри зерна больше, чем по границам. 159

160 Упрочненное состояние приграничных объемов определяется таким их составом и строением, при которых в наибольшей степени затруднены диффузионные процессы. Пограничные зоны по составу отличаются от объемов, составляющих собственно зерно сплава. Распределение атомов растворенных элементов между зернами и границами зерен связано с термодинамическими свойствами поверхностей раздела. Одной из главных задач металловедения жаропрочных сплавов является создание такого сочетания элементов в сплаве и выбор такого метода обработки, при которых получается наибольшее упрочнение пограничных зон. Стабильность этого упрочненного состояния определяется затруднениями в диффузионном перемещении атомов, проявляющимися в первую очередь в повышении температуры рекристаллизации, начинающейся, обычно, в приграничных объемах. Легче упрочненное состояние границ получить в литых сплавах, регулируя процесс кристаллизации таким образом, чтобы по границам зерен располагался дендритный каркас прочной и стойкой против коагуляции второй фазы. Влияние границ зерен на механические свойства при различных температурах прямо связано с температурной устойчивостью созданного в приграничных объемах структурного состояния. До температур, при которых это структурное состояние стабильно, приграничные объемы оказывают упрочняющее влияние, и мелкозернистый материал жаропрочнее крупнозернистого. При этом надо иметь в виду, что повышение прочности сплава обычно связано не с влиянием границы как таковой, а с взаимодействием (при данной температуре) кристаллов, разделенных этой границей. При повышении температуры, когда структурное состояние в пограничных зонах изменяется, в них в связи со структурной нестабильностью начинается сдвиговая деформация. Тогда при этих повышенных температурах приобретает преимущественное развитие скольжение вблизи границ зерен и по этим местам обычно и проходит разрушение; отсюда жаропрочность крупнозернистого материала при этих температурах больше, чем мелкозернистого. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что является причиной ускорения ползучести на третьей стадии? 2. Схемы зарождения межзеренных трещин. 3. При каких условиях может происходить чисто межзеренное разрушение? 4. Что называют пределом длительной прочности? 5. Что называют долговечностью? 6. Что является основным результатом испытания образца при определении предела длительной прочности? Что обозначает 1000? 160

161 8. Что называют релаксацией? 9. С чем связан механизм релаксации? 10. Основные требования к структуре жаропрочных сплавов РАЗДЕЛ 6 УСТАЛОСТЬ И ИЗНАШИВАНИЕ ЛЕКЦИЯ 23 УСТАЛОСТЬ ПЛАН 23.1 Явление усталости. Разновидности циклов напряжений и их характеристики 23.2 Образцы и машины для усталостных напряжений. Стандартные методики определения предела выносливости и усталостной долговечности 23.3 Кривая Велера. Испытания на малоцикловую усталость. Диаграмма усталостного разрушения. Циклическая трещиностойкость 23.1 ЯВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ. РАЗНОВИДНОСТИ ЦИКЛОВ НАПРЯЖЕНИЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ Большинство изделий в процессе эксплуатации испытывает воздействие повторно-переменных (циклических) силовых воздействий, меняющих с течением времени свою величину и направление (знак) действия. Соответственно в материале возникают циклические напряжения. Под их действием в материале зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие в итоге разрушение. Опасность такого разрушения связана с двумя причинами: во-первых, усталостное разрушение не сопровождается заметной макродеформацией изделия и поэтому его трудно предупредить; во-вторых, оно может развиваться в условиях действия незначительных напряжений, намного меньших временного сопротивления разрыву и предела текучести, то есть при напряжениях, при которых рассчитана работа изделия. Усталостью называется процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящих к изменению его свойств, образованию трещин и разрушению. Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Число циклов до разрушения при заданных характеристиках нагружения называется долговечностью. Основные характеристики циклического нагружения: Цикл напряжений совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Каждый цикл характеризуется несколькими параметрами. Период Т это продолжительность одного цикла (рис. 23.1). Напряжение цикла записывается уравнением: ζ=ζ m +ζ a f(η) (23.1) где ζ m среднее напряжение цикла; ζ a амплитуда цикла; f(η) непрерывная периодическая функция, определяющая форму цикла во времени и изменяющаяся в пределах от -1 до

162 Рис Общий вид цикла нагружения, [4] Различают максимальное ζ max и минимальное ζ min напряжения. Максимальное напряжение цикла ζ max это наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла и оно равно алгебраической сумме среднего напряжения и амплитуды, а минимальное ζ min их алгебраической разности: ζ max = ζ m + ζ a (23.2) Соответственно среднее напряжение цикла рассчитывается как ζ m =( ζ max + ζ min )/2 (23.3) Амплитуда напряжения цикла определяется выражением ζ a =(ζ max - ζ min )/2 (23.4) Цикл характеризуется также коэффициентом асимметрии: R = ζ max / ζ min (23.5) Если R= 1, то такой цикл называют симметричным (рис. 23.2, кривая 1). Если же минимальное и максимальное напряжения цикла не равны по величине, то он называется асимметричным (рис. 23.2, кривые 2 и 3). Когда напряжения меняются по величине и знаку, цикл считается знакопеременным (рис. 23.2, кривые 1 и 2), если только по величине Рис Разновидности циклов напряжений, [1] знакопостоянным (рис. 23.2, кривая 3). Для испытаний чаще всего используют симметричные знакопеременные циклы с R = ОБРАЗЦЫ И МАШИНЫ ДЛЯ УСТАЛОСТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ. СТАНДАРТНЫЕ МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ВЫНОСЛИВОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ. КРИВАЯ ВЕЛЕРА. Наиболее распространенная схема нагружения при усталостных испытаниях изгиб. Эта схема реализуется по-разному. Особенно проста и чаще всего применяется схема чистого изгиба образца при вращении. Нагрузка здесь прилагается в двух точках, что обеспечивает постоянство изгибающего момента на всей рабочей длине образца. Применяется также круговой изгиб 162

163 консольно закрепленного образца, испытание в условиях циклического "растяжения сжатия" и другие приемы. Для испытаний в условиях циклического растяжения сжатия используют гидропульсационные и резонансные машины. Первые представляют собой универсальные машины с гидравлическим приводом для статических испытаний, снабженные гидропульсатором. Это однопоршневой масляный насос, который присоединяется к рабочему цилиндру машины. Ход поршня насоса устанавливают в соответствии с заданной амплитудой напряжений цикла. Резонансные машины для усталостных испытаний осуществляют циклическое растяжение сжатие с помощью независимой от образца вибрирующей системы. Она состоит из плоской или цилиндрической рессоры и массы силовозбуждения. Для усталостных испытаний используются специальные стандартные образцы с круглым или прямоугольным сечением в их рабочей части (рис. 23.3). Рис Типы образцов для испытаний на усталость, [1] Характеристики выносливости сильно зависят от размеров образца, часто они значительно выше у образцов с меньшим сечением. Поэтому для получения сравнимых данных следует проводить испытания на одинаковых образцах. Результаты усталостных испытаний, как будет, очень чувствительны к качеству и состоянию поверхностного слоя образца. Следовательно, для получения воспроизводимых результатов здесь особенно необходимо соблюдение идентичности методики изготовления образцов. Первичным результатом усталостного испытания одного образца является число циклов до разрушения (долговечность) при заданных характеристиках цикла. По результатам испытаний серии образцов могут быть определены различные характеристики выносливости. Главной из них является предел выносливости ζ R наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного числа циклов нагружения. Если испытания ведут при постоянном среднем напряжении цикла, ζ R определяется как наибольшее значение средней амплитуды напряжений цикла, при которых не происходит усталостного разрушения после неограниченного или заданного количества циклов. 163

164 Для того чтобы оценить предел выносливости, необходимо испытывать целую серию образцов, как правило, не меньше 15. Каждый образец испытывают при определенном значении максимального напряжения цикла (или его амплитуды). При этом циклы для всех образцов одной серии должны быть подобны, т. е. иметь одинаковую форму и отношение различных характеристик цикла. По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости (кривая Велера) в координатах максимальное напряжение цикла ζ max (или ζ a ) долговечность N (рис. 23.4). Максимальное напряжение для первого образца обычно задают на уровне 2/3 ζ в. ζ max lgζ max ζ max ζ R ζ R ζ R a б в N lgn 1/N Рис Кривые усталости в различных координатах Нижний предел используемых напряжений составляет 0,3 0,5 ζ в. Наиболее наглядны кривые усталости в логарифмических или полулогарифмических координатах (рис б). По мере уменьшения максимального напряжения цикла долговечность всех материалов возрастает. При этом у сталей и некоторых цветных сплавов, склонных к динамическому деформационному старению, кривая усталости асимптотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс (рис а, кривая 1). Ордината, соответствующая постоянному значению ζ max, и есть предел выносливости таких материалов ζ R наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения при любом числе циклов N (так называемый физический предел выносливости). Наиболее просто определяется G R при использовании логарифмического масштаба (рис б) Удобно оценивать ζ R и по кривым в координатах ζ max 1/N (рис в). Здесь предел выносливости определяют, экстраполируя кривую в точку ее пересечения с осью ординат, где 1/N = 0. Этот способ особенно целесообразен для приближенной оценки ζ R по результатам испытания небольшого числа образцов. 164

165 Многие цветные металлы и сплавы не имеют горизонтального участка на кривых усталости (рис а, б, кривые 2). В этом случае определяют ограниченный предел выносливости наибольшее напряжение ζ max (или ζ а ), которое материал выдерживает, не разрушаясь в течение определенного числа циклов нагружения. Это число циклов называют базой испытания, обычно 10 8 циклов (когда на кривой усталости имеется горизонтальный участок, испытания продолжают не более чем до 10 7 циклов). Для усталостных испытаний характерен значительный разброс экспериментальных данных, поэтому особенно важна их правильная статистическая обработка. При ограниченном числе образцов предел выносливости определяется с 50%-ной вероятностью. Для этого, строя кривую усталости, необходимо при напряжениях, равных (0,95 1,05) ζ R, провести испытание нескольких (не менее трех) образцов, половина которых должна остаться неразрушенной по достижении заданной базы испытаний. Для оценки среднего значения предела выносливости и его среднего квадратичного отклонения строят кривые распределения предела выносливости. Для этого партию испытываемых образцов делят на шесть-семь групп. По результатам испытаний 8 15 образцов первой группы по обычной методике строят кривую усталости и оценивают ζ R при вероятности разрушения Р = 0,5. Образцы других групп испытывают с использованием разных уровней напряжений (обычно шести). Максимальный уровень, при котором все образцы должны разрушаться до базового числа циклов, принимают равным (1,3 1,5) от ζ R для Р = 0,5, а остальное подбирают таким образом, чтобы до достижения базы испытания разрушилось примерно 90, 70 80, 50, и 10 % образцов. По результатам этих испытаний для каждого образца определяют усталостную долговечность число циклов нагружения, которое выдерживает материал перед разрушением при определенном напряжении. Усталостная долговечность вторая по важности после ζ R характеристика выносливости металлических материалов ИСПЫТАНИЯ НА МАЛОЦИКЛОВУЮ УСТАЛОСТЬ. ДИАГРАММА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ. ЦИКЛИЧЕСКАЯ ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ Вся кривая усталости может быть разделена на две основные области малоцикловой и многоцикловой усталости (рис. 23.5). Границей между этими областями является динамический предел текучести ζ т, т. е. предел текучести при данной скорости нагружения, определяемой частотой циклов. 165

166 в т R Малоцикловая усталость Многоцикловая усталость N k N R N Рис Виды усталостных испытаний Область малоцикловой усталости охватывает диапазон напряжений от динамического предела текучести до временного сопротивления разрыву, т. е. ζ т < ζ < ζ в. База испытания на малоцикловую усталость не превышает обычно циклов. Характерной особенностью разрушения в области малоцикловой усталости является, как правило, центральное расположение области окончательного долома, что связано с распространением усталостных трещин из многочисленных источников пластически деформированного материала. При малоцикловой усталости уже с первых циклов нагружения подводимая энергия расходуется на зарождение микротрещин. Процесс многоцикловой усталости охватывает область напряжений ζ R < ζ < ζ т и в отличие от малоцикловой начинается с инкубационного периода, связанного с накоплением искажений кристаллической решетки. В условиях эксплуатации конструкции обычно должны выдерживать определенный уровень напряжений, но в ряде важных случаев процесс усталостного разрушения определяется амплитудой деформации при циклическом нагружении. Нагружение с заданной амплитудой деформации называют жестким, а нагружение с заданным размахом нагрузки мягким. ε Pa, σ а ε a ε a ε Pa a lgn(nт) lgn(nт) Рис Кривые усталости при жестком (а) и мягком (б) нагружении При жестком нагружении кривые малоцикловой усталости строят в двойных логарифмических координатах: а) амплитуда полной деформации ε а число циклов до образования трещины N T или до разрушения N; б) амплитуда пластической деформации ε ра N T или N (рис. 23.6, а). б 166

167 При мягком нагружении кривые усталости строят в координатах ζ а lgn (N T ) (рис. 23.6, б), или lgε Ра lgk (рис. 23.7), где К число полуциклов нагружения. Для оценки чувствительности к поверхностным нагружениям в упругопластической области результаты малоцикловых испытаний часто представляют в виде кривых ζ max /ζ в N, где ζ max максимальное напряжение цикла, вызывающее разрушение через N циклов. Критериями выносливости материала в условиях малоцикловой усталости могут служить ограниченный предел выносливости, усталостная долговечность, величина отношения ζ max /ζ в, при котором образец разрушается после заданного числа циклов нагружения. Характеристики выносливости в большинстве случаев снижаются при наличии концентраторов напряжений. Для количественной оценки чувствительности предела выносливости к концентраторам напряжений определяют коэффициент чувствительности q: q = (К ζ 1)/(α ζ 1), (23.6) где К ζ = ζ -1 /ζ -1н эффективный коэффициент концентрации напряжений; ζ -1н предел выносливости образца с концентратором (надрезом); α ζ теоретический коэффициент концентрации напряжений, являющийся коэффициентом пропорциональности между напряжением в вершине надреза ζ 1 и номинальным Рис Кривые усталости: а для циклически разупрочняющегося материала; б для циклически стабилизирующегося материала; в для циклически упрочняющегося материала напряжением ζ ном вдали от концентратора, ζ 1 = α. ζ ζ ном. Еще одной важной характеристикой сопротивления усталости является скорость роста трещины при усталости dl/dn (СРТУ), которую особенно часто определяют в условиях малоциклового нагружения. Усталостные испытания, базирующиеся на концепциях механики разрушения получили название испытаний на циклическую трещиностойкость. Их основным результатом является построение диаграммы усталостного разрушения зависимости СРТУ от наибольшего значения К max или размаха ΔК коэффициента интенсивности напряжений цикла (рис. 23.8). 167

168 Рис Диаграмма усталостного разрушения Диаграмма усталостного разрушения состоит из трех участков. Первый, соответствующий низким скоростям роста усталостных трещин (менее 10-5 мм/цикл), характеризуется затуханием СРТУ с увеличением К mах или ΔК. Величина К mах на участке 1 близка к пороговому значению K S, за которое принимают величину К mах, при которой трещина не развивается на протяжении заданного числа циклов нагружения. Линейный участок 2 диаграммы усталостного разрушения (рис. 23.8) описывается степенной зависимостью dl/dn = С (ΔК) т, где для различных материалов m=2 10, С - коэффициент. На участке 3 скорость роста трещины возрастает с увеличением К mах, приближающимся к критическому коэффициенту интенсивности напряжений К или ц с К значению К mах, при котором образец разрушается. Критические ц I c коэффициенты и называют циклической вязкостью разрушения. Испытания на циклическую трещиностойкость состоят в последовательном измерении длины l развивающейся трещины по мере увеличения числа циклов N нагружения. По результатам этих измерений строят сначала графики l N, по ним вычисляют скорость роста трещины dl/dn, а затем строят диаграмму усталостного разрушения. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ 1. Что называют усталостью? 2. Как называют свойство противостоять усталости? 3. Что называют долговечностью? 4. Что называют циклом напряжений? 5. Какими параметрами характеризуется цикл? 6. Какие существуют разновидности циклов напряжений? 7. Что называют пределом выносливости? 8. В каких координатах строят кривую усталости? 9. На какие области делится кривая усталости и что является границей между этими областями? 10. Какое нагружение называют жестким, а какое мягким? 11. Как влияют концентраторы напряжений на характеристики выносливости? 12. Что является основным результатом испытаний на циклическую трещиностойкость? 168

169 ЛЕКЦИЯ 24 ПРИРОДА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПЛАН 24.1 Природа усталостного разрушения. Пластическая деформация при циклическом нагружении 24.2 Зарождение и распространение усталостных трещин. Структура усталостного излома 24.3 Влияние различных факторов на характеристики выносливости. Влияние характеристик цикла напряжений 24.1 ПРИРОДА УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ По мере увеличения числа циклов при любых напряжениях выше предела выносливости в образце последовательно идут следующие основные процессы: 1) пластическая деформация; 2) зарождение трещин; 3) постепенное развитие некоторых из них и преимущественное распространение одной, главной трещины; 4) быстрое окончательное разрушение. Движение дислокаций и образование линий скольжения в условиях повторно-переменных нагрузок наблюдается даже при напряжениях меньше предела выносливости, который в свою очередь, как правило, ниже макроскопического предела упругости материала. Скольжение происходит в тех же кристаллографических плоскостях и направлениях, что и при статической деформации. Начинается пластическая деформация в благоприятно ориентированных зернах вблизи концентраторов напряжений. Развитие пластической деформации приводит к деформационному упрочнению, которое особенно существенно при малоцикловой усталости, когда величина действующих напряжений велика. ζ, МПа B C A D Деформация, е Рис Петля гистерезиса при циклическом нагружении монокристалла алюминия Наглядной характеристикой деформационного упрочнения может служить ширина петли гистерезиса в координатах напряжение деформация. В стандартных многоцикловых усталостных испытаниях такие кривые не записывают, но если их построить по результатам динамических измерений напряжений и деформаций, то полученная диаграмма за каждый цикл нагружения будет иметь вид асимметричной петли (рис. 24.1). 169

170 Асимметрия связана с проявлением эффекта Баушингера. Если образец в первом полуцикле подвергают сжатию, то при заданных характеристиках цикла петля (рис. 24.1) придет из точки А в точку В, когда образец будет заметно пластически деформирован. В результате разгрузки кривая попадет в точку С по прямой, соответствующей снятию упругой деформации. Когда в следующем полуцикле образец подвергается растяжению, пластическая деформация начинается при очень низком напряжении. Это и есть эффект Баушингера. Чем больше баушингеровская деформация, тем шире петля гистерезиса. Если материал будет упрочняться в процессе усталостного испытания, то величина этой деформации и ширина петли должны уменьшаться из-за возрастающих трудностей перераспределения дислокаций при изменении знака напряжений. Материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении уменьшается (рис в), а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении увеличивается, называются циклически упрочняющимися. Материалы, у которых ширина петли гистерезиса при мягком нагружении по мере увеличения числа циклов, наоборот, растет (рис а), а максимальное напряжение цикла при жестком нагружении уменьшается. Такие материалы называют циклически разупрочняющимися. В ряде случаев ширина петли гистерезиса практически не меняется с ростом числа циклов (рис б), тогда это циклически стабилизирующиеся материалы. Чистые металлы и однофазные сплавы, отличающиеся в отожженном состоянии высокой пластичностью и относительно низкой прочностью, относятся к циклически упрочняющимся материалам. После сильной холодной деформации эти же материалы ведут себя как циклически разупрочняющиеся. Циклическое разупрочнение наблюдается также у большинства высокопрочных сплавов, в частности, содержащих в структуре большое количество дисперсных выделений избыточных фаз. Знак упрочнения и усталостная повреждаемость металлических материалов в значительной мере обусловлены особенностями дислокационной структуры, формирующейся в условиях циклической деформации. По мере увеличения числа циклов нагружения растет плотность дислокаций, особенно быстро в поверхностных слоях. Отличительный признак дислокационной структуры металлов после низкотемпературного циклического нагружения многочисленные пороги и дислокационные петли, появляющиеся уже на начальных этапах испытания. Это результат частых пересечений дислокаций и повышенной концентрации точечных дефектов, возникающих при движении дислокаций с порогами под действием переменных напряжений. С увеличением числа циклов образуются скопления петель и дислокаций со ступеньками, дислокационных сплетений, а затем формируются плоские малоугловые границы. 170

171 а б в Рис Микроструктура чистого никеля ( 320): а после 10 4 циклов; б после циклов; в после разрушения при циклов, [1] По мере роста числа циклов нагружения тонкие линии скольжения на поверхности превращаются в грубые полосы с необычным для статической деформации рельефом (рис. 24.2). Анализ профиля этих полос показывает наличие в них выступов и впадин. Развитие полос скольжения в условиях действия больших напряжений качественно аналогично наблюдаемому при статической деформации. Они могут быть удалены полировкой поверхности, и долговечность образца повысится. Но многие полосы, образующиеся при испытании с малой амплитудой напряжений, более устойчивы и полировкой уже не удаляются. Впадины в таких устойчивых полосах сначала имеют глубину не более 10 мкм, а по истечении ~25 % общего времени испытания до 30 мкм ЗАРОЖДЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ УСТАЛОСТНЫХ ТРЕЩИН. СТРУКТУРА УСТАЛОСТНОГО ИЗЛОМА В условиях повторно-переменных нагрузок движение дислокаций и образование линий скольжения может происходить при напряжениях, меньших предела текучести материала. Такое несоответствие связано с тем, что при анализе используются параметры (напряжения), которые являются среднестатистическим показателем, отнесенным ко всему объему образца. В этом случае не учитывается возможность формирования в условиях нагружения в отдельных участках пиковых напряжений, величина которых может оказаться вполне достаточной для осуществления локальной пластической деформации. Наконец, в условиях циклического нагружения проявляется так называемый эффект Баушингера, состоящий в том, что сопротивление металла макропластической деформации снижается, если нагружению предшествовала предварительная деформация противоположного знака. При большом числе циклов нагружения тонкие линии скольжения превращаются в устойчивые полосы, оканчивающиеся выступами (экструзиями) и впадинами (интрузиями) на поверхности металла. Эти выступы и впадины являются концентраторами напряжений, а, следовательно, и зародышами ус- 171

Рассмотрим стержень упруго растянутый центрально приложенными сосредоточенными

Рассмотрим стержень упруго растянутый центрально приложенными сосредоточенными Растяжение (сжатие) элементов конструкций. Определение внутренних усилий, напряжений, деформаций (продольных и поперечных). Коэффициент поперечных деформаций (коэффициент Пуассона). Гипотеза Бернулли и

Подробнее

Упругие свойства твердых тел

Упругие свойства твердых тел Упругие свойства твердых тел 1. Введение Механические свойства тел основные свойства конструкционных материалов, которые, с одной стороны, определяют их применение, а с другой являются теми конкретными

Подробнее

Лекция 6. Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства.

Лекция 6. Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства. Лекция 6 http://www.supermetalloved.narod.ru Нагрузки, напряжения и деформации. Механические свойства. 1. Физическая природа деформации металлов. 2. Природа пластической деформации. 3. Дислокационный механизм

Подробнее

Тема 2 Основные понятия. Лекция 2

Тема 2 Основные понятия. Лекция 2 Тема 2 Основные понятия. Лекция 2 2.1 Сопротивление материалов как научная дисциплина. 2.2 Схематизация элементов конструкций и внешних нагрузок. 2.3 Допущения о свойствах материала элементов конструкций.

Подробнее

7.8. Упругие силы. Закон Гука

7.8. Упругие силы. Закон Гука 78 Упругие силы Закон Гука Все твердые тела в результате внешнего механического воздействия в той или иной мере изменяют свою форму, так как под действием внешних сил в этих телах изменяется расположение

Подробнее

6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 6.1. Деформированное состояние в точке. Главные деформации

6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ 6.1. Деформированное состояние в точке. Главные деформации Теория деформированного состояния Понятие о тензоре деформаций, главные деформации Обобщенный закон Гука для изотропного тела Деформация объема при трехосном напряженном состоянии Потенциальная энергия

Подробнее

СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ ПО «СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ» 1) ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ ПТМ

СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ ПО «СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ» 1) ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ ПТМ СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ ПО «СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ» (часть 1) ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ ПТМ 2014-2015 уч. год 1. Какие допущения о свойствах материалов приняты в курсе "Сопротивление материалов

Подробнее

Кроме деформации растяжения или сжатия (см. лекцию 3) материал нагруженного элемента конструкции может испытывать деформацию сдвига.

Кроме деформации растяжения или сжатия (см. лекцию 3) материал нагруженного элемента конструкции может испытывать деформацию сдвига. Сдвиг элементов конструкций Определение внутренних усилий напряжений и деформаций при сдвиге Понятие о чистом сдвиге Закон Гука для сдвига Удельная потенциальная энергия деформации при чистом сдвиге Расчеты

Подробнее

Л.4 Прочность, жесткость, устойчивость. Силовые нагрузки элементов

Л.4 Прочность, жесткость, устойчивость. Силовые нагрузки элементов Л. Прочность, жесткость, устойчивость. Силовые нагрузки элементов Под прочностью понимают способность конструкции, ее частей и деталей выдерживать определенную нагрузку без разрушений. Под жесткостью подразумевают

Подробнее

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ 5.1. Напряжения в точке. Главные напряжения и главные площадки

5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ 5.1. Напряжения в точке. Главные напряжения и главные площадки Теория напряженного состояния Понятие о тензоре напряжений, главные напряжения Линейное, плоское и объемное напряженное состояние Определение напряжений при линейном и плоском напряженном состоянии Решения

Подробнее

дов деформаций может быть сведено к двум основным: растяжение (или сжатие) и сдвиг.

дов деформаций может быть сведено к двум основным: растяжение (или сжатие) и сдвиг. Лекция 16 Силы упругости. Упругие свойства твердых тел. Закон Гука для разных деформаций. Модули упругости, коэффициент Пуассона. Диаграмма напряжений. Упругий гистерезис. Потенциальная энергия упругой

Подробнее

В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ

В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ 2013 1 ЛЕКЦИЯ 10 Опытное изучение механических свойств материалов в целях оценки прочности инженерных конструкций Основная цель получить предельные для испытуемого

Подробнее

Лабораторная работа 5. Краткая теория

Лабораторная работа 5. Краткая теория Лабораторная работа 5 Определение модуля сдвига по крутильным колебаниям Целью работы является изучение деформации сдвига и кручения, определение модуля сдвига металлического стержня. Краткая теория Модуль

Подробнее

Механические свойства металлов

Механические свойства металлов ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» Лопатина Екатерина Сергеевна, Ковалева

Подробнее

4.1. Механическое разрушение твердых тел

4.1. Механическое разрушение твердых тел 4.1. Механическое разрушение твердых тел Наиболее типичными видами разрушения материалов, оборудования, машин и приборов являются механическое разрушение, износ, и коррозия. Эти виды разрушения охватывают

Подробнее

Лекция 8. Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация

Лекция 8. Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация Лекция 8 http://www.supermetalloved.narod.ru Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация 1. Конструкционная прочность материалов

Подробнее

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1 к практическому занятию по «Прикладной механике» для студентов II курса медико-биологического факультета.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1 к практическому занятию по «Прикладной механике» для студентов II курса медико-биологического факультета. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1 ТЕМА Введение. Инструктаж по технике безопасности. Входной контроль. ВВЕДЕНИЕ В ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО КУРСУ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХЕНИКА». ИНСТРУКТАЖ ПО ПОЖАРО- И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ.

Подробнее

Механические свойства и механические характеристики материалов

Механические свойства и механические характеристики материалов 1. Механические свойства и механические характеристики материалов На диаграмме напряжений пределу прочности материала соответствует точка ОТВЕТ: 1) B; 2) D; 3) E; 4) A. 2. Максимальное напряжение в детали

Подробнее

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. Зайцев Дмитрий Викторович

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. Зайцев Дмитрий Викторович МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Зайцев Дмитрий Викторович РАЗРУШЕНИЕ КОНСТРУКЦИЙ 17 августа 2009 года. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Вследствие многократного возникновения дополнительных нагрузок переменного

Подробнее

Фазовые превращения в твердых телах

Фазовые превращения в твердых телах Фазовые превращения в твердых телах Лекция 6 3. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ПРИ ТЕРМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ Фазовые превращения в твердых телах Лекция 5 3. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Белорусский государственный университет Механико-математический факультет Кафедра теоретической и прикладной механики ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Тема 4. ОБЪЕМНОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ В ТОЧКЕ И ТЕОРИИ ПРОЧНОСТИ

Подробнее

Кручение простой вид сопротивления (нагружения), при котором на стержень действуют моменты в плоскостях, перпендикулярных к продольной оси стержня.

Кручение простой вид сопротивления (нагружения), при котором на стержень действуют моменты в плоскостях, перпендикулярных к продольной оси стержня. Кручение стержней с круглым поперечным сечением. Внутренние усилия при кручении, напряжения и деформации. Напряженное состояние и разрушение при кручении. Расчет на прочность и жесткость вала круглого

Подробнее

Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Подробнее

Курс лекций: «Прикладная механика»

Курс лекций: «Прикладная механика» Курс лекций: «Прикладная механика» Лекция 4: «Основные виды микромеханических элементов. Механические свойства материалов. Тензоры механического Лектор: д.т.н., доцент И.Е.Лысенко К основным видам конструкций

Подробнее

Лекция 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Лекция 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Сегодня: четверг, 8 сентября 6 г. Теоретическая физика Модуль: Физика конденсированного состояния Напряжение Лекция. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ напряжение разрушения напряжение текучести предел текучести

Подробнее

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА М-18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА М-18 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА М-8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА И МОМЕНТА ИНЕРЦИИ МЕТОДОМ КОЛЕБАНИЙ Цель работы: определение модуля сдвига и момента инерции диска методом крутильных колебаний. Приборы и принадлежности:

Подробнее

Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана»

Подробнее

Лабораторная работа 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Лабораторная работа 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Лабораторная работа 1 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСВА МЕАЛЛОВ Цель работы: 1. Ознакомиться с оборудованием и методикой определения твердости и показателей механических свойств при испытании на растяжение. 2. Установить

Подробнее

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Осевое растяжение-сжатие.

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ Осевое растяжение-сжатие. 3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 3.2. Осевое растяжение-сжатие. Растяжением или сжатием называют такой вид деформации бруса (стержня), при котором в его поперечных сечениях возникает только один внутренний

Подробнее

3. ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. НАПРЯЖЕНИЯ

3. ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. НАПРЯЖЕНИЯ 3. ВНУТРЕННИЕ СИЛЫ. НАПРЯЖЕНИЯ 3.. Напряжения Уровень оценки прочности по нагрузке отличают простота и доступность. Расчеты при этом чаще всего минимальны - требуется определить только саму нагрузку. Для

Подробнее

7. СОДЕРЖАНИЕ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА» (СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ) Вопрос Ответ Правильный

7. СОДЕРЖАНИЕ ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «ПРИКЛАДНАЯ МЕХАНИКА» (СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ) Вопрос Ответ Правильный . Прочность это. Жесткость это. Устойчивость это 4. К допущениям о свойствах материала элементов конструкций не относится 5. Пластина это способность материала сопротивляться действию нагрузок, не разрушаясь

Подробнее

3.2. Пластическая деформация и деформационное упрочнение

3.2. Пластическая деформация и деформационное упрочнение 3.2. Пластическая деформация и деформационное упрочнение Пластическая деформация является результатом необратимых смещений атомов. В процессе пластической деформации играют роль только касательные (тангенциальные)

Подробнее

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА МАТЕРИАЛА ИЗ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА МАТЕРИАЛА ИЗ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА МАТЕРИАЛА ИЗ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ Методические указания

Подробнее

ТЕСТЫ ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ

ТЕСТЫ ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ ТЕСТЫ ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, МЕТОД СЕЧЕНИЙ, НАПРЯЖЕНИЯ Вариант 1.1 1. Прямой брус нагружается внешней силой F. После снятия нагрузки его форма и размеры полностью восстанавливаются.

Подробнее

Тычина К.А. В в е д е н и е.

Тычина К.А. В в е д е н и е. www.tchina.pro Тычина К.А. I В в е д е н и е. «Теоретическая механика» разработала уравнения равновесия тел, считая их абсолютно твёрдыми и неразрушимыми. Курс «Сопротивление материалов», следующий шаг

Подробнее

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ И ДЕФОРМАЦИЯХ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ И ДЕФОРМАЦИЯХ ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЯХ И ДЕФОРМАЦИЯХ ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ И ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ Специфичный, высокотемпературный, локальный нагрев элементов конструкций при сварке, характеризующийся

Подробнее

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 3. СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ 3.1. Сопротивление материалов. Задачи и определения. Сопротивление материалов - наука о прочности, жесткости и устойчивости элементов инженерных конструкций. Первая задача сопротивления

Подробнее

МЕТАЛЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ: ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ

МЕТАЛЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ: ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ МЕТАЛЛЫ И ПОЛУПРОВОДНИКИ: ТЕХНОЛОГИИ И ПРОЦЕССЫ МОДУЛЬ 2. Процессы и методы формирования наноструктурных состояний в конструкционных материалах Лекция 9 Механические свойства наноструктурных материалов.

Подробнее

b + a + l + (Рис. 1) (8.2)

b + a + l + (Рис. 1) (8.2) Лекция 8. Теория упругости 8.. Закон Гука и принцип суперпозиции 8.. Однородная деформация. Всестороннее сжатие 8.3.Однородная деформация. Сдвиг 8.4. Деформация зажатого бруска 8.5. Продольный звук 8.6.

Подробнее

Итоговый тест, Прикладная механика (сопромат) (2579) 9. (70c.) Под прочностью элемента конструкции понимается (несколько ответов) 1)

Итоговый тест, Прикладная механика (сопромат) (2579) 9. (70c.) Под прочностью элемента конструкции понимается (несколько ответов) 1) Итоговый тест, Прикладная механика (сопромат) (2579) 9. (70c.) Под прочностью элемента конструкции понимается 1) сопротивление 2) внешнему воздействию 3) вплоть до 4) возникновения больших деформаций 5)

Подробнее

Материаловедение и ТКМ. Цикл лекций. Карпов А.А. Лекция 3. Механические свойства.

Материаловедение и ТКМ. Цикл лекций. Карпов А.А. Лекция 3. Механические свойства. Материаловедение и ТКМ. Цикл лекций. Карпов А.А. Лекция 3. Механические свойства. 3.1. Прочность. Прочность способность тела (металла) сопротивляться деформациям и разрушению. Большинство технических характеристик

Подробнее

Экзаменационный билет 3

Экзаменационный билет 3 Экзаменационный билет 1 1. Реальный объект и расчетная схема. Силы внешние и внутренние. Метод сечений. Основные виды нагружения бруса. 2. Понятие об усталостной прочности. Экзаменационный билет 2 1. Растяжение

Подробнее

Оглавление Введение... 3

Оглавление Введение... 3 Оглавление Введение... 3 Глава 1. Основные предпосылки, понятия и определения, используемые в курсе сопротивления материалов - механике материалов и конструкций... 4 1.1. Модель материала. Основные гипотезы

Подробнее

. В этот же момент начинается разгрузка. Напряжения, деформации и перемещения естественно начнут изменяться, но они должны

. В этот же момент начинается разгрузка. Напряжения, деформации и перемещения естественно начнут изменяться, но они должны Лекция 9. Теорема о разгрузке. Итак, рассмотрен ряд теорий о поведении материала за пределами упругости. Теперь обратимся к другому вопросу: что будет, если начать разгружать образец, который уже находится

Подробнее

Основы теории прочности

Основы теории прочности Представлены основные понятия теории прочности, условия и методы, применяемые в практике проектирования. Раздел предназначен для теоретического введения при работе с программным обеспечением, использующим

Подробнее

Лекция 2. Основы теории напряжений. Связь между напряжениями и деформациями

Лекция 2. Основы теории напряжений. Связь между напряжениями и деформациями Лекция 2. Основы теории напряжений. Связь между напряжениями и деформациями Теория напряжений описывае динамику упругих процессов. которые возникают в среде в ответ на воздействие внешних сил. Силы в теории

Подробнее

Геомеханика нефтяных пластов и газовых залежей

Геомеханика нефтяных пластов и газовых залежей Геомеханика нефтяных пластов и газовых залежей 015/016 Лектор: к.т.н. Шигапова Диана Юрьевна Теория прочности Мора Предположение: наличие в каждой точке деформированного образца горных пород зависимости

Подробнее

ВОПРОСЫ к экзамену по курсу «Сопротивление материалов»

ВОПРОСЫ к экзамену по курсу «Сопротивление материалов» ВОПРОСЫ к экзамену по курсу «Сопротивление материалов» 1. Историческое развитие учения о сопротивлении материалов. Диаграмма стального образца Ст 3. 2. Диаграмма Ф.Ясинского. 3. Основные понятия курса

Подробнее

Деформированное состояние в точке. Связь между деформациями и напряжениями

Деформированное состояние в точке. Связь между деформациями и напряжениями Деформированное состояние в точке. Связь между деформациями и напряжениями. Деформированным состоянием в точке называется (-ются) ОТВТ: ) совокупность деформаций в точке; ) совокупность нормальных и касательных

Подробнее

П Р О Г Р А М М А вступительных экзаменов в аспирантуру по кафедре Металловедения цветных металлов. Программа подготовки «Металловедение цветных

П Р О Г Р А М М А вступительных экзаменов в аспирантуру по кафедре Металловедения цветных металлов. Программа подготовки «Металловедение цветных П Р О Г Р А М М А вступительных экзаменов в аспирантуру по кафедре Металловедения цветных металлов. Программа подготовки «Металловедение цветных металлов и сплавов» Программа вступительных экзаменов в

Подробнее

Тема 4. Лекция 4. Основные понятия.

Тема 4. Лекция 4. Основные понятия. Тема 4 Механические характеристики материалов. Лекция 4 Основные понятия. Предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, временное сопротивление, предел прочности, истинное напряжение разрыву,

Подробнее

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ ЗАКОН ГУКА Цель работы: проверить применимость закона Гука для упругих материалов на примере пружины и резиновой ленты. Приборы и принадлежности: компьютер, установка для проверки закона Гука, набор гирь,

Подробнее

Контрольные вопросы по сопротивлению материалов

Контрольные вопросы по сопротивлению материалов Контрольные вопросы по сопротивлению материалов 1. Основные положения 2. Каковы основные гипотезы, допущения и предпосылки положены в основу науки о сопротивлении материалов? 3. Какие основные задачи решает

Подробнее

(шифр и наименование направления)

(шифр и наименование направления) Дисциплина Направление Сопротивление материалов 270800 - Строительство (шифр и наименование направления) Специальность 270800 62 00 01 Промышленное и гражданское строительство 270800 62 00 03 Городское

Подробнее

Лекция4 СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. Поток 1А Лектор доц. Дощечкина И.В. (Lect_4_1А_ТКМиМ_ DIV. ppt)

Лекция4 СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. Поток 1А Лектор доц. Дощечкина И.В. (Lect_4_1А_ТКМиМ_ DIV. ppt) СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ Лекция4 Поток 1А Лектор доц. Дощечкина И.В. (Lect_4_1А_ТКМиМ_ DIV. ppt) ( Использованы материалы проф. Мощенка В.И. и электронного ресурса www.google.com.ua / search ) План лекции 1.Понятия

Подробнее

Лекция 7. Механические свойства (продолжение). Технологические и эксплуатационные свойства

Лекция 7. Механические свойства (продолжение). Технологические и эксплуатационные свойства Лекция 7 http://www.supermetalloved.narod.ru Механические свойства (продолжение). Технологические и эксплуатационные свойства 1. Механические свойства и способы определения их количественных характеристик:

Подробнее

Дефекты кристаллов подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

Дефекты кристаллов подразделяют на точечные, линейные и поверхностные. 1.3. Строение реальных кристаллических материалов Строение реальных кристаллов отличается от идеальных. В реальных кристаллах всегда содержатся дефекты, и поэтому нет идеально правильного расположения

Подробнее

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧСКИХ ТКАНЕЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧСКИХ ТКАНЕЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ 43 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧСКИХ ТКАНЕЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ГЕМОДИНАМИКИ Задание 1. Выберите правильный ответ: 1. Деформацией называется.... а) изменение взаимного положения тел; б) изменение взаимного

Подробнее

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МОДУЛЬ 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Лекция 11. Виды деформации твердых тел. Упругая и пластическая деформация. Виды статического

Подробнее

Тычина К.А. С л о ж н о е н а п р я ж ё н н о е с о с т о я н и е

Тычина К.А. С л о ж н о е н а п р я ж ё н н о е с о с т о я н и е www.tchina.pro Тычина К.А. IX С л о ж н о е н а п р я ж ё н н о е с о с т о я н и е П о л н о е н а п р я ж е н и е в п р о и з в о л ь н о й п л о щ а д к е Совокупность напряжений для всего множества

Подробнее

ОГЛАВЛЕНИЕ. Предисловие... 3 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

ОГЛАВЛЕНИЕ. Предисловие... 3 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие... 3 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ Глава первая Растяжение и сжатие......6 1.1. Продольная сила...6 1.2. Нормальные напряжения, абсолютное удлинение и потенциальная энергия...8 1.3. Поперечная деформация

Подробнее

УДК Артюх Г.В. К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА

УДК Артюх Г.В. К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА УДК 620.178.6 Артюх Г.В. К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПУАССОНА Практика проектирования и эксплуатации машин различного назначения характеризуется широким применением новых конструкционных материалов

Подробнее

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРЕГРАДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АНИЗОТРОПИИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРЕГРАДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АНИЗОТРОПИИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРЕГРАДЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АНИЗОТРОПИИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ М.Н. Кривошеина ИФПМ СО РАН, г. Томск e-mal: marnа_nkr@mal.ru М.А. Козлова ИФПМ СО РАН, г. Томск e-mal:

Подробнее

Лекция Продольно поперечный изгиб Концентрация напряжений Продольно поперечный изгиб.

Лекция Продольно поперечный изгиб Концентрация напряжений Продольно поперечный изгиб. Лекция 3 3 Продольно поперечный изгиб 3 Концентрация напряжений 3 Продольно поперечный изгиб Рассмотрим случай одновременного действия на стержень, например с шарнирно закрепленными концами, осевой сжимающей

Подробнее

Лекция 11. Полная система уравнений теории упругости. Уравнения равновесия. Соотношения Коши: (2) z yz. Соотношения Закона Гука (3)

Лекция 11. Полная система уравнений теории упругости. Уравнения равновесия. Соотношения Коши: (2) z yz. Соотношения Закона Гука (3) Полная система уравнений теории упругости si F () i Лекция Полная система уравнений теории упругости. Уравнения совместности деформаций. Уравнения Бельтрами. Уравнения Ламе. Плоское напряженное и плоское

Подробнее

Тычина К.А. III. К р у ч е н и е

Тычина К.А. III. К р у ч е н и е Тычина К.А. tychina@mail.ru К р у ч е н и е Крутящим называют момент, вектор которого направлен вдоль оси стержня. Кручением называется такое нагружение стержня, при котором в его поперечных сечениях возникает

Подробнее

Тема 6 Методы расчета строительных конструкций Лекция 7 Основные понятия. ,

Тема 6 Методы расчета строительных конструкций Лекция 7 Основные понятия. , Тема 6 Методы расчета строительных конструкций. Лекция 7 6*.1 Метод предельных состояний. 6*. Метод допускаемых напряжений. 6*.3 Метод разрушающих нагрузок 6*.4 Критерии (гипотезы) прочности и пластичности.

Подробнее

Аттестационное тестирование в сфере профессионального образования

Аттестационное тестирование в сфере профессионального образования Page 1 of 15 Аттестационное тестирование в сфере профессионального образования Специальность: 170105.65 Взрыватели и системы управления средствами поражения Дисциплина: Механика (Сопротивление материалов)

Подробнее

Тычина К.А. К р и т е р и и п л а с т и ч н о с т и и р а з р у ш е н и я.

Тычина К.А. К р и т е р и и п л а с т и ч н о с т и и р а з р у ш е н и я. www.tychina.pro Тычина К.А. X К р и т е р и и п л а с т и ч н о с т и и р а з р у ш е н и я. Материал подавляющего большинства машин, механизмов и приборов, созданных человеком, работает в пределах упругости,

Подробнее

Предисловие Часть I ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ Лекция 1 Основные понятия Простейшие типы конструкций Нагрузки Гипотезы, принимаемые в сопротивлении материалов

Предисловие Часть I ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ Лекция 1 Основные понятия Простейшие типы конструкций Нагрузки Гипотезы, принимаемые в сопротивлении материалов Предисловие Часть I ТЕКСТЫ ЛЕКЦИЙ Лекция 1 Основные понятия Простейшие типы конструкций Нагрузки Гипотезы, принимаемые в сопротивлении материалов Деформации и перемещения Метод сечений Частные случаи нагружения

Подробнее

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ. Кафедра физики

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ. Кафедра физики МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАЗАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ Кафедра физики МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ФИЗИКЕ для студентов специальностей

Подробнее

Кузьмичев Сергей Дмитриевич

Кузьмичев Сергей Дмитриевич Кузьмичев Сергей Дмитриевич 2 СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ 10 Элементы теории упругости и гидродинамики. 1. Деформации. Закон Гука. 2. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Модули всестороннего сжатия и одностороннего

Подробнее

УДК Мирсалимов М. В. ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИНЫ В ПОЛОСЕ ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ. (Тульский государственный университет)

УДК Мирсалимов М. В. ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИНЫ В ПОЛОСЕ ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ. (Тульский государственный университет) ВЕСТНИК ЧГПУ им И Я ЯКОВЛЕВА МЕХАНИКА ПРЕДЕЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ 7 УДК 5975 Мирсалимов М В ЗАРОЖДЕНИЕ ТРЕЩИНЫ В ПОЛОСЕ ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ (Тульский государственный университет) Рассматривается задача механики

Подробнее

Тема 5. Напряженное и деформированное состояние в точке. Лекция 6

Тема 5. Напряженное и деформированное состояние в точке. Лекция 6 Тема 5 Напряженное и деформированное состояние в точке. Лекция 6 Объемное напряженное состояние. 6. Главные напряжения и главные площадки. 6. Площадки экстремальных касательных напряжений. 6. Деформированное

Подробнее

Аннотация рабочей программы дисциплины «СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ»

Аннотация рабочей программы дисциплины «СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ» Аннотация рабочей программы дисциплины «СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ» 1. Цель и задачи освоения дисциплины Для студентов направления подготовки 08.03.01. «Строительство» сопротивление материалов является одной

Подробнее

Лекция 3. Механические свойства строительных материалов

Лекция 3. Механические свойства строительных материалов Лекция 3 Механические свойства строительных материалов Механические свойства характеризуют способность строительных материалов сопротивляться разрушению и деформированию под действием внешних сил. Основные

Подробнее

Определение модуля Юнга

Определение модуля Юнга Ярославский государственный педагогический университет им. К. Д. Ушинского Кафедра общей физики Лаборатория механики Лабораторная работа 10 Определение модуля Юнга Ярославль 2006 Оглавление 1. Краткая

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 9 Элементы теории деформированного состояния в точке. Потенциальная энергия упругой деформации

ЛЕКЦИЯ 9 Элементы теории деформированного состояния в точке. Потенциальная энергия упругой деформации В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ 203 ЛЕКЦИЯ 9 Элементы теории деформированного состояния в точке. Потенциальная энергия упругой деформации Понятие о деформированном состоянии в точке ДТТ

Подробнее

Расчет элементов стальных конструкций.

Расчет элементов стальных конструкций. Расчет элементов стальных конструкций. План. 1. Расчет элементов металлических конструкций по предельным состояниям. 2. Нормативные и расчетные сопротивления стали 3. Расчет элементов металлических конструкций

Подробнее

Расчет прочности и устойчивости стального стержня по СНиП II-23-81*

Расчет прочности и устойчивости стального стержня по СНиП II-23-81* Отчет 5855-1707-8333-0815 Расчет прочности и устойчивости стального стержня по СНиП II-3-81* Данный документ составлен на основе отчета о проведенном пользователем admin расчете металлического элемента

Подробнее

Расчеты прочностных характеристик непрерывно-армированных композиционных материалов

Расчеты прочностных характеристик непрерывно-армированных композиционных материалов МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» (НГТУ)

Подробнее

Пластическая деформация кристаллов

Пластическая деформация кристаллов Пластическая деформация кристаллов Пластические деформации сохраняются в теле после прекращения действия внешних сил. Под действием касательных (сдвиговых) напряжений возникают два типа процессов, приводящих

Подробнее

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ПОЛУПРОСТРАНСТВА

ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ПОЛУПРОСТРАНСТВА Системы Методы Технологии К 594 ПМ Огар* ВА Тарасов ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ПОЛУПРОСТРАНСТВА Получены выражения описывающие напряженно-деформированное

Подробнее

В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ЛЕКЦИЯ 7 Элементы теории напряженного состояния. 1 Напряженное состояние в точке (НС)

В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ЛЕКЦИЯ 7 Элементы теории напряженного состояния. 1 Напряженное состояние в точке (НС) В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ 013 1 ЛЕКЦИЯ 7 Элементы теории напряженного состояния 1 Напряженное состояние в точке (НС) Как было сказано ранее, НС в точке это совокупность напряжений,

Подробнее

Курс лекций: «Прикладная механика» Лекция 5: «Закон Гука. Диаграмма растяжений. Момент инерции сечения» Лектор: д.т.н., доцент И.Е.

Курс лекций: «Прикладная механика» Лекция 5: «Закон Гука. Диаграмма растяжений. Момент инерции сечения» Лектор: д.т.н., доцент И.Е. Курс лекций: «Прикладная механика» Лекция 5: «Закон Гука. Диаграмма растяжений. Момент инерции Лектор: д.т.н., доцент И.Е.Лысенко Английский ученый Роберт Гук открыл фундаментальную закономерность между

Подробнее

Механические свойства при растяжении и сжатии. для холоднодеформированной арматуры. Так, в

Механические свойства при растяжении и сжатии. для холоднодеформированной арматуры. Так, в Механические свойства при растяжении и сжатии холоднодеформированной арматуры класса В500С Авторы: Тихонов И.Н., Гуменюк В.С. кандидаты технических наук, НИИЖБ им. А.А.Гвоздева, Казарян В.А. инженер, ОАО

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 17 Расчеты на прочность при сложном напряженном состоянии. Теории (гипотезы) прочности. 1 Назначение гипотез прочности

ЛЕКЦИЯ 17 Расчеты на прочность при сложном напряженном состоянии. Теории (гипотезы) прочности. 1 Назначение гипотез прочности В.Ф. ДЕМЕНКО МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ 03 ЛЕКЦИЯ 7 Расчеты на прочность при сложном напряженном состоянии. Теории (гипотезы) прочности Назначение гипотез прочности Теории (гипотезы) прочности (ТП)

Подробнее

ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ НАПРЯЖЕНИЙ 1 Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный морской технический университет А. М. Фирсов ОТЖИГ ДЛЯ СНЯТИЯ НАПРЯЖЕНИЙ Лабораторная работа Санкт-Петербург

Подробнее

Образование межатомных связей при сварке

Образование межатомных связей при сварке Образование межатомных связей при сварке На протяжении всего периода существования человека на Земле - и даже в каменном, бронзовом и железном веках - ему приходилось решать задачу соединения между собой

Подробнее

Результаты и их обсуждение. На рисунке 2 приведены типичные диаграммы растяжения образцов, а на рисунке 3 характерные кривые зависи-

Результаты и их обсуждение. На рисунке 2 приведены типичные диаграммы растяжения образцов, а на рисунке 3 характерные кривые зависи- УДК 621.357:669.715 В. Н. Малышев ОЦЕНКА УПРОЧНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ МИКРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКОЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ Проведенные исследования влияния микродуговой обработки

Подробнее

Целесообразность данной лаб. работы

Целесообразность данной лаб. работы Список лабораторных работ образовательной программы бакалавриата и магистратуры профилей «Динамика и прочность машин» Наименование лабораторной работы Целесообразность данной лаб. работы Имеющееся оборудование

Подробнее

«ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ»

«ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ» Лабораторная работа «ИЗУЧЕНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ» Цель работы: Определение модуля упругости материалов. Принадлежности: Установка для изучения упругих свойств материалов, образцы, линейка, микрометр,

Подробнее

Тезисы курса сопротивления материалов Часть 1

Тезисы курса сопротивления материалов Часть 1 Тезисы курса сопротивления материалов Часть 1 1 Глава 1. Введение 1.1.Основные понятия Прочность- способность материала конструкции сопротивляться внешним воздействиям. Жесткость- способность элементов

Подробнее

Радченко А.В. 1, Радченко П.А. 2

Радченко А.В. 1, Радченко П.А. 2 Влияние ориентации механических свойств композиционных материалов на динамическое разрушение преград из них при высокоскоростном нагружении Радченко А.В. 1 Радченко П.А. 2 1 Томский государственный архитектурно-строительный

Подробнее

ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS. ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ

ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS. ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ANSYS. ЗАДАЧИ МЕХАНИКИ РАЗРУШЕНИЯ Руководитель: Ю. Д. Байчиков Автор доклада: Е. А. Суренский Введение Вопросы хрупкого разрушения конструкции как при проектировании,

Подробнее

Радченко П.А. 1, РадченкоА.В. 2. государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск

Радченко П.А. 1, РадченкоА.В. 2. государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск Влияние применения различных критериев прочности на поведение анизотропных материалов при динамическом нагружении Радченко П.А. 1 РадченкоА.В. 2 1 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН г.

Подробнее

Это многоступенчатая зубчатая передача, геометрические оси зубчатых колес которой неподвижны. Это одноступенчатая зубчатая передача, в которой передач

Это многоступенчатая зубчатая передача, геометрические оси зубчатых колес которой неподвижны. Это одноступенчатая зубчатая передача, в которой передач ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА. Поток 2ТС, 2ТД. Тест 3. Зубчатые механизмы. Оценка надежности деталей машин. Материаловедение. 1. Что такое одноступенчатая зубчатая передача? Это передача, состоящая из двух сопряженных

Подробнее

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КУРСА «СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ» 1.1. Основные определения сопротивления материалов

1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КУРСА «СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ» 1.1. Основные определения сопротивления материалов Введение. Общие понятия и принципы дисциплины «Сопротивление материалов». Реальный объект и расчетная схема. Внешние силовые факторы (классификация). Определение внутренних усилий методом мысленных сечений.

Подробнее

Бондарь В.С. Неупругость. Варианты теории

Бондарь В.С. Неупругость. Варианты теории Бондарь В.С. Неупругость. Варианты теории МОСКВА ФИЗМАТЛИТ 2004 ÓÄÊ 539.3 ÁÁÊ 22.251 Á81 Áîíäà ü Â. Ñ. Неупругость. Варианты теории. μ Ì.: ÔÈÇÌÀÒËÈÒ, 2004. μ 144 ñ. μ ISBN 5-9221-0521-3. Èçëîæåíû ï îñòåé

Подробнее

ОТ АВТОРОВ... 3 ВВЕДЕНИЕ... 5 Вопросы и задания для самоконтроля к введению... 8

ОТ АВТОРОВ... 3 ВВЕДЕНИЕ... 5 Вопросы и задания для самоконтроля к введению... 8 Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 280100 «Природоустройство и водопользование» Сопротивление

Подробнее