68

5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Металл - это железо + углерод (0,1-1,5 %). Кроме того, в металле все­

гда существуют некоторые присадки, которые уменьшают прочность метал­

ла. у ТОГО, что мы проектируем из металлических деталей, нужно знать ме­ ханические свойства. Механические свойства выражаются в прочности, жа­ ропрочности, жаростойкости и других характеристиках.

Под механическими свойствами понимают характеристики, опреде­ ляющие поведение металла под действием приложенных механических сил.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: 1) статическом нагружении, когда нагрузка на образец возрастает медленно и плавно; 2) динамическом нагружении, когда нагрузка возрастает с большой скоростью - имеет ударный характер; 3) nовторно­

переменном или циклическом нагружении, когда нагрузка в процессе испы­

тания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения

механических испытаний регламентированы государственными стандартами. При любом способе нагружения в материале возникают нормальные и касательные напряжения. Рост касательных напряжений приводит к пласти­ ческой деформации материала и к последующему вязкому разрушению. Нор­

мальные напряжения - к упругой деформации и хрупкому разрушению.

В простейшем случае внешними силами являются механические воз­ действия, которые могут вызывать прогиб, сжатие, растяжение, закручива­ ние и т. д. Механические напряжения могут быть вызваны и немеханически­ ми воздействиями: тепловыми, магнитными и др.

5.1. Деформация металлов

Деформацией называют изменение размеров и формы тела под воз­ действием приложенных СИЛ.

Зависимость между упругой деформацией Е и напряжением о выражается законом Гука:

о э Ег,

где Е - коэффициент (Е:= tg а), называемый модулем упругости.

Упругая деформация происходит за счет изменения межатомных рас­ стояний в кристаллической решетке. Она устраняется после снятия нагрузки вследствие сил взаимодействия между атомами.

69

При действии на деталь внешней силы в материале детали возникают

напряжения.

На рис. 5.1 приведена схема, когда на образец (деталь) действует рас­ тягивающая сила Р, которая вызывает напряжение р. Это напряжение можно разложить на нормальную cr (перпендикулярно сечению АВ) и касательную "( (В сечении АВ) составляющие.

Прежде чем изучать сущность процессов, происходящих при деформа­ ции металла, необходимо ознакомиться, как деформация проявляется. Диа­ грамма деформации (рис. 5.2) показывает, как изменяется деформация Е по мере роста действующего напряжения а.

На диаграмме можно выделить два участка: ОА и АВ. Участок ОА по­ казывает пропорциональную зависимость деформации от напряжения. Пре­

дельное напряжение, при котором сохраняется такая зависимость, называет­

ся пределом пропорциональности и обозначается crпц. На участке АВ пропор­ циональность деформации от напряжений нарушена. Деформация заканчи­ вается в точке В, в которой происходит разрушение материала. Наибольшее напряжение, которое выдержал материал при нагружении, называется преде­ лом прочности и обозначается ав.

Если устранить действующую на образец силу, которая вызывала на­ пряжение о' < О'пц, то остаточной деформации у образца не обнаруживается: она исчезает вместе с устранением действующей силы. Такую деформацию называютупругой деформацией.

в

А

70

Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки про­

исходит только незначительное смещение атомов.

При возрастании касательных напряжений выше определенной величи­ ны (см. рис. 5.1) деформация становится необратимой, При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. При пластической деформации необратимо изменяется структура металла, а следовательно, и его свойства.

Большая часть энергии (до 90 %), затрачиваемой на деформацию ме­ талла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная часть энергии сохраняется в металле в виде повышенной плотности несовершенств строе­ ния (вакансии, дислокации).

На практике большое значение имеет изменение структуры и свойств поликристаллических материалов в процессе пластической деформации.

При горячей обработке слитка давлением дендриты вытягиваются вдоль направления деформирования металла и образуют волокнистую структуру (рис. 5.3): возникает резкое различие прочности металла вдоль и поперек волокон. В процессе горячей деформации следует добиваться, чтобы расположение волокон совпадало с направлением главных усилий в деталях при работе.

Упрочнение металла при холодной пластической деформации называ­

ется наклепом.

Изменение свойств метал:ла после пластической деформации связано с

ростом плотности дислокации р, которая характеризуется суммарной длиной

дислокаций (СМ), еодержащихся в 1 ем3 металла. После пластической дефор­ мации плотность дислокаций может достичь значений до 1012 см-2.

На рис. 5.4, а, б, в видно изменение микроструктуры железа по мере увеличения деформации холодной прокаткой. В зернах металла при дефор­

мации происходят многочисленные сдвиги по описанному выше дислокаци­

онному механизму. С увеличением обжатия беспорядочно ориентированные кристаллы поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации: образуется текстура деформации. Зерна железа после обжатия на 90 % имеют длину порядка 70 мкм при толщине около 3 МКМ.

Наклеп металла сопровождается изменением и других физико­ химических свойств: происходит уменьшение коррозионной стойкости, по­ вышение электросопротивления. У сплавов на основе железа повышается ко­ эрцитивная сила, уменьшается магнитная проницаемость. Текстура дефор­ мации приводит к анизотропии свойств поликристаллического тела. Изуче­ ние изменений в строении металла при наклепе производят микроскопиче­ скими, рентгенографическими и другими методами.

При нагреве металла протекают процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации, обусловливающие возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.

71

аб

Рис. 5.3. Макроструктура поковок коленчатого вала: а - правильное; б - неправиль­

ное расположение волокон

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации (O,5-0,б)Тпл для: получения полностью рекристаллизованной структуры.

При нагреве до относительно низких температур (O,2-0,З)Тпл начина­

ется процесс возврата, под которым понимают повышение структурного со­

вершенства наклепанного металла в результате уменьшения плотности де­

фектов строения.

Избыточные вакансии и межузельные атомы поглощаются дислока­ циями при перераспределении последних при нагреве. Кроме того, происхо­ дит сток вакансий к границам зерен, что определяет уменьшение их концен­ трации. Обработка металлов (прокатка, волочение, ковка, штамповка и т. д.) при температурах (О,7-0,75)Тпл , устраняющих наклеп, обеспечивает высокие пластические свойства обрабатываемых заготовок.