Прочность

Прочность - способность материала сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению.

В реальных твердых телах, особенно металлах, прочностные свойства во многом определяются, как и в случае пластичности, плотностью и подвижностью дислокаций.

Дислокации при своем движении, реализующем пластическую деформацию, испытывают торможение следующими дефектами (рис. 24):

• другими дислокациями,

• примесными атомами, образующими вокруг них скопления,

• частицами твердых вторичных фаз,

• границами зерен и двойников.

Основное упрочнение в процессе деформирования объясняется увеличением плотности дислокаций, образующихся в процессе деформации.

Определение прочностных свойств материалов

Основные характеристики прочности для металлических и неметаллических материалов, используемые в инженерной практике, получают из механических испытаний (ГОСТ 1497-84) стандартных образцов при постоянной скорости деформирования ~10^-2 ÷ 10^-3 1 /с. (рис. 26).

Рис.26. Кривая растяжения

В результате получают кривую растяжения, на которой различают несколько предельных значений напряжений (пределов) , соответствующих качественному изменению поведения материала. Расчет , чаще всего, ведется как отношение растягивающей нагрузки P к начальной площади F₀ ( = P/F₀), но так как в процессе деформации площадь сечения F уменьшается, то такие напряжения называются условными в отличие от более высоких истинных напряжений ( = P/F_Т), где F_т – текущая площадь образца (штриховая линия (рис. 26)).

В справочных источниках указывают, как правило, значения следующих условных пределов:

_пц - предел пропорциональности - напряжение, вызывающее только упругую деформацию, причем отклонение величины упругой деформации от значения, соответствующего закону Гука, составляет не более условленной величины (≤50%); применяется для расчета рабочих напряжений при проектировании прецизионных пружин;

_у - предел упругости - напряжение, характеризующее сопротивление возникающей микропластической деформации, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (≤0,05%); применяется для расчета максимальных рабочих напряжений при проектировании упругих элементов;

_т (_0,2) - предел текучести - напряжение, характеризующее сопротивление малым макропластическим деформациям, при котором пластическая деформация составляет не более условленной величины (обычно 0,2%); применяется для расчета максимальных допустимых напряжений [] при проектировании деталей из материалов высокой пластичности;

_в - предел прочности - напряжение, характеризующее сопротивление большим пластическим деформациям, при котором происходит переход от равномерной пластической деформации к развитию местной деформации с образованием резкого сужения (шейки); применяется для расчета максимально допустимых напряжений при проектировании деталей из материалов пониженной пластичности.

Если растягивающую нагрузку разделить на текущую площадь образца F_т, которая уменьшается по мере растяжения, то можно получить истинный предел прочности (_ви = P_max/F_т) и истинное сопротивление разрыву (S_к = P_к/F_к), однако эти характеристики редко применяются на практике.

Испытание на растяжение позволяет также получить характеристики пластичности материала:

 = L_max/L₀ - максимальное относительное удлинение при разрыве;

 = F_max/F₀ - максимальное относительное сужение при разрыве.

Важнейшей предпосылкой получения для металлических материалов высокопрочного и одновременно вязкого состояния при сравнительно низких температурах (меньше 0,3 T_пл) является создание однородной, мелкозернистой и высокодисперсной структуры, где дислокации не закреплены около непреодолимых препятствий, а имеют возможность перемещения, но при больших напряжениях.

Высокой прочности при сохранении вязкости добиваются путем деформационного упрочнения и легирования с последующей термической обработкой.

Для чистых металлов и многих однофазных твердых растворов единственным методом упрочнения является холодная пластическая деформация. При этом, применяя пластическую деформацию и последующий нагрев, вызывающий полигонизацию или первичную рекристаллизацию, нужно добиться однородной, мелкозернистой структуры, а внутри зерен - так называемой ячеистой дислокационной структуры. Такая структура обеспечивает равнопрочное состояние во всем объеме материала, отличающееся высокой прочностью и достаточным запасом пластичности. Этому способствуют препятствия в виде границ ячеек, проницаемых для движения дислокаций.

Упрочнение при легировании подразумевает введение в состав основного компонента элементов, позволяющих создать торможение дислокаций за счет:

• размещения атомов примесей вокруг дислокаций и на их пути,

• формирования системы упрочняющих частиц с наиболее эффективными параметрами,

• получения мелкозернистой структуры,

• предотвращения роста зерен закреплением их тугоплавкими частицами,

• увеличения расщепления дислокаций, затрудняющего прохождение препятствий.

Другой путь получения высокопрочного состояния материалов заключается в использовании высокопрочных малодефектных коротких кристаллов (усов) или волокон, имеющих прочность близкую к теоретической. Однако, непосредственно из них невозможно изготовить даже небольшие детали, поэтому их включают в состав композиционных материалов в качестве упрочняющего компонента. Такие композиционные материалы обладают высокой прочностью в направлении ориентации усов или волокон, и могут иметь ряд дополнительных улучшенных служебных свойств: низкую или высокую плотность, заданное значение модуля нормальной упругости, высокую демпфирующую способность и другие.