5. Деформация и разрушение металло в

Деформацией называется изменение размеров и формы тел а под действи­ем приложенных сил либо внешних, либо возникающими при различных физи­ко-механических процессах, проходящих в самом теле. Отношение силы, дей­ствующей на тел о , к некоторой площадке F называется напряжением. Единица механического напряжения – 1 мегапаскаль – 1 МПа = 10⁶ Па (1 кгс/мм² ≈ 10 МПа).

ВИД Ы НАПР ЯЖ ЕНИЙ

Н ормальные и каса тельн ые

σ - нормальные напряже­ния: растягивающие (по­ложительные) и сжима­ющие (отрицательные); τ - касательные напряже­ния.

Временные на­пряжения - обу­словленные дей­ствием внешней нагрузки и исче­зающие после ее снятия. Остаточные внутренние на­пряжения - воз­никают и уравно­вешиваются внутри тела без внешней нагруз­ки.

Тепловые (термиче­ские) напряжения – возникают при быст­ром нагреве или охла­ждении те л а из-за не­однородного расшире­ния (сжатия) поверхно­стных и внутренних слоев.

Структурные (фазо­вые) напряжения – возникающие при кри­сталлизации, деформа­ции или неоднородном протекании фазовых превращений по объе­му те л а .

На л ич ие в образце (изделии) концентраторов напряжений – надрезов, тр ещ ин, отверстий, металлургических и технологических дефектов приводит к резкому увеличению напряжений в месте дефекта.

Эпюры растягивающих на­пряжений при различных кон­центраторах напряжений: σ_н – среднее напряжение; σ_к – максимальное напряже­ние.

26

► напряжения вызывают деформацию металла

ДЕФОРМАЦИЯ

У пругая – влияние ее на свой­ства, форму, структуру, размер тел а устраняется после снятия нагрузки.

Пластическая – не устраняется после снятия нагрузки, меняя форму, размер, структуру, свой­ства те л а .

Пластическая деформация как в моно- , так и в поликристал­лах осуществляется за счет скольжения и двойникования.

С кольжение – сдвиг одной части кристалла относительно другой по плоскостям и направлениям с наиболее плотным расположени­ем атомов.

а – до дефор мации;

б – после дефор мации.

Осуществляется за счет движения дислокаций, смещает­ся небольшая группа атомов на расстояние меньше межатомно­го. Пробег многих дислокаций приводит к макросдвигу.

Двойникование – деформация в ре­шетке ОЦК, ГЦК, ГПУ. Происходит переориентация части кристалла в положение, симметричное по отно­шению к первой части (зеркальное отражение).

Схема двойникования (стрелками показа­но направление сил)

АВСД – полоса двойникования. Наблюдается при больших степенях деформации, может появиться при вибрации, при ударе во время паде­ния.

_I

_I

В поликристалле процессы скольжения и двойникования идут в каждом зерне. Переход дислокаций из одного зерна в другое невозможен. Передача деформации от зерна к зерну происходит эс таф етным путем.

27

Пластическая деформация вызывает изменение структуры и свойств поликристаллического металла

_I

_I

Ч исло дефектов кристаллического строения (дис локаций, ваканс ий и др.) возрастает. Плотность дефектов ≈ 10¹² (1/см^-2 ). При больших степенях дефор­мации (≈ 80 %) – явление наклепа – увеличение прочности и резкое сниже­ние способности к пластическому де­формированию (снижение пластично­сти). (с тепень деформации ε:

⋅100%, где F_н

F_к

s =

F_н -F_к F_н площадь сечения до и после деформа­ции).

а)

Пр и пластическом деформи­ровании кристаллы меняют свою форму – зерна вытяги­ваются в направлении прило­жения силы, образуя волокни­стую структуру.

Повышение плотнос ти дислокаций и др. дефектов затрудняют движение от­дельных новых дислокаций и увеличи­вает сопротивление деформации, уменьшая пл а с тич но с ть и повышая прочность. Напряжение сдвига растет пропорционально плотности дислока­ций.

а б

б)

Структура металла

до деформации; после деформации.

28

Р АЗР УШЕНИЕ

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле тр е-щин, приводящих к разделению его на части.

З арождение тр е щ ин.

Происходит путем образования микротрещин в местах скопления движущихс я дислокаций пе­ред препятствием (границы зерен, микропоры, неметаллические включения и т.д.).

Распространение (развитие) тр е щ ин . Происходит по-разному при вязком и хрупком разрушении металла. С то ч к и зрения микро­структуры – тр а нс к р и-сталлитное и интеркри-сталлитное разрушение. Транскристаллитное – по тел у зерна, интеркри-сталлитное – по грани­цам.

Вя з к о е разрушение – тр ещ ина стабильна (l<l_кр ), величина пластической деформации в устье трещины велика, сама трещина имеет тупую верши­ну. Скорость распространения трещины мала. Разрушение постепенное. Из л о м – мато­вый, волокнис тый, тр а н с к р и -сталлитный.

Хрупкое разрушение – трещина неста­бильна, если ее длина l>l_кр, растет само­произвольно, вершина сохраняет остро­ту, соизмеримую (по размеру) с атомны­ми размерами. Величина пластичес кой деформации в устье трещины мала. Ско­рость распространения трещины ~ 2500 м/с, разрушение внезапное, межзеренное, интеркристаллитное.

Из л о м – светлый, кристалличес кий, име­ет блестящие плоские участки.

Одни и те же сплавы в зависимости от условий обработки могут иметь вязкое и хрупкое разрушение. Металлы с ОЦК и ГПУ решеткой с понижением Т⁰ имеют переход от вязкого к хрупкому разрушению – явление хладноломкости. Темпера­тура перехода (Т₅₀) – температурный порог хладноломкости.

29

ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ

61. Что так о е упругая и пластическая деформация?

62. Как протекает пластическая деформация в монокристалле? В поликристалле?

63. Как влияет степень деформации на структуру и свойства металла?

64. Что так о е наклеп и как объяснить упрочнение металла в процессе деформа­ции?

65. Пр и каких технологических процессах производят пластическое деформиро­вание металла?

66. Что та к о е концентраторы напряжений и почему они опасны?

67. Механизм образования и роста трещины при разрушении.

68. Каковы особенности вязкого и хрупкого разрушения металла?

69. Каковы особенности вязкого и хрупкого изломов металла?

10. Что так о е хладноломкость, у каких материалов можно наблюдать это явле­ ние?

Задача № 1

Пр и получении стального листа толщиной 1,5 мм холодной прокаткой значительно повысилась тв е р д о с ть. Объяс ните причину этого явления.

Задача № 2

По л о с ы свинца были прокатаны при 20⁰С с ε = 20, 30, 40, 60 %. Будут ли отличаться свойства этих полос? Ответ обосновать.

Задача № 3

Детали, изготовленные из прутков меди ∅ 25 мм, должны иметь НВ 300 Мпа. На заводе имеются лишь прутки ∅ 40 мм и НВ 220 Мпа. Укажите, как можно использовать имеющиеся прутки для изготовления деталей с заданными свойствами.

Задача № 4

Детали из низкоуглеродистой стали после холодной штамповки в разных сечениях имели разную тв ер до с ть (от 1000 до 16000 Мпа). До штамповки сталь имела тв е р д о с ть 900 Мпа. Объясните неодинаковос ть свойств по с ечению дета­ли.

Задача № 5

Образец высотой 20 мм был осажен до 15 мм. Рассчитать степень дефор­мации ε.

30