книги / Строительные материалы

меняется при закалке легированных сталей, но следует учитывать, что масло может загореться (температура воспламенения 250—300 °С). При закалке стали в воде, растворах солей или в масле вокруг детали образуется «рубашка» из пара, затрудняющая отвод теплоты от металла, поэтому деталь следует непрерывно встряхи­ вать или передвигать.

Новый вид термической обработки стали — изотер­ мическая закалка, или закалка при постоянных темпе­ ратурах. При этом деталь, нагретая до аустенитовой структуры, охлаждается до температуры, при которой образуются структуры, обеспечивающие получение не­ обходимых свойств стали. В качестве охладителя берут­ ся расплавленные соли или нагретое масло. Деталь вы­ держивается при температуре горячей ванны длитель­ ное время, пока не произойдет распад аустенита. Пре­ имуществом этого вида закалки является отсутствие коробления и трещин в деталях, а также упрощение термообработки, так как ликвидируется дополнительная операция — отпуск. По этому методу можно закаливать только небольшие (толщиной до 8 мм) детали из угле­ родистой стали.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная износоустойчивость поверхности при сохра­ нении вязкой и достаточно прочной сердцевины, приме­ няется поверхностная закалка, т. е. закалка не на пол­ ную глубину. Поверхностной закалке подвергаются ста­ ли при содержании углерода больше 0,3 %,

ми, выделением теплоты и частичным снятием внутрен­ них напряжений.. При более высоком нагреве стали об­ разуется сорбит, троостит и перлит.

Сталь со структурой троостита имеет в среднем твер­ дость НВ =400, предел прочности при растяжении оь= = 175 МПа, относительное удлинение 6 = 2 %. Сталь со структурой сорбита имеет твердость НВ=300, предел прочности при растяжении 0^ = 100 МПа, относительное удлинение 6 = 7 %.

При неправильном проведении термообработки, т. е. отклонении от установленного режима, можно только ухудшить качество стали, Причинами брака могут быть недостаточность нагрева стали, малая скорость охлажде­ ния, перегрев, коробление, закалочные трещины, обезуг­ лероживание. Термической обработкой можно улучшить качество чугунных отливок, которые часто имеют линей­ ные напряжения. Напряжения эти снимаются при низко­ температурном отжиге до 500 °С в течение 3—5 ч, а для больших деталей — «старением», т. е. выдержкой в те­ чение 3—12 мес при нормальной температуре.

Для повышения твердости, прочности и сопротивления износу производят закалку стали при 800—820 °С, а за­ тем отпуск при 400 °С.

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении химического состава стали на поверхности из­ делия и последующем проведении термообработки. От поверхностной закалки данный вид обработки отличает­ ся тем, что предварительно производится насыщение по­ верхности различными элементами (С, N, Al, Si, Сг и др.) путем их диффузии. Проникая в основную решетку метал­ ла, атом элемента образует твердый раствор внедрения или замещения либо химическое соединение.

Процесс химико-термической обработки включает: а) образование во внешней среде активных атомов диф­ фундирующего вещества; б) поглощение поверхностью основного металла атомов активного вещества (адсорб­ ция); в) перемещение активных атомов с поверхности внутрь основного металла (диффузия). На качество про­ цесса влияют вид внедряемого вещества, температура, при которой происходит процесс, и его продолжитель­ ность.

Цементация — поверхностное насыщение малоугле­ родистой стали (С<0,2 %). углеродом с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной.

как азот образует различные соединения с Fe, Al, Сг и. другими элементами, обладающие большей твердостью,- чем карбиды; повышенная сопротивляемость коррозии. Температура, при которой происходит азотирование, ни­ же, чем при цементации, в результате изделия не коро­ бятся при охлаждении, а их сердцевина остается вязкой без дополнительной термической обработки.

Цианирование (газовое), т. е. одновременное насыще­ ние металла азотом и углеродом производится для по­ вышения износоустойчивости и усталостной прочности.

Алитирование, хромирование, силицирование являют­ ся разновидностями диффузионной металлизации и вы­ полняются аналогично цементации в соответствующих средах (Al, Cr, Si). Такой вид обработки стали может придать ей ряд ценных свойств: жаростойкость, износо­ стойкость, коррозионную устойчивость.

2. Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

Напряжения, развиваемые в металлах под воздейст­ вием приложенных сил, могут вызывать упругие и пла­ стические деформации.

Пластическая деформация — это деформация, кото­ рая остается после снятия нагрузки. По степени пласти­ ческой деформации непосредственно перед разрушением судят о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает «хрупкий» мате­ риал. Пластичность, т. е. способность выдерживать боль­ шие остаточные деформации без разрушения в сочетании с высокой прочностью, делает металлы незаменимыми конструкционными материалами. Наиболее высокой про­ чностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по срав­ нению с другими металлами.

Пластическая деформация сопровождается не только изменением формы, но и изменением структуры металла, которое заключается в вытягивании зерен и измельчении блочной структуры. Деформация отдельного кристалла под действием напряжений происходит путем относитель­ ного смещения некоторых объемов зерна по кристалло­ графическим плоскостям. В результате смещения и пово­ ротов отдельных частей зерен все зерна в металле вытя­ гиваются вдоль направления деформирования, образуя

при*больших степенях деформаций'направленную струк­ туру. При формировании такой направленной или волок­ нистой структуры металл становится неравнопрочным: прочность поперек волокон будет меньше прочности вдоль волокон.

В реальном кристалле атомы располагаются правиль­ но лишь в пределах небольших участков — блоков, кото­ рые повернуты один относительно другого на небольшие углы. Блоки обычно состоят из 2000—10 000 атомов. На границах блоков возникают нарушения в правильности расположения атомов, т. е. образуется система дислока­ ций.

При деформации под действием напряжений блочная структура измельчается, что приводит к значительному увеличению плотности дислокаций и резкому возраста­ нию внутрикристаллических и межкристаллических' на­ пряжений. Все это приводит к повышению твердости, пре­ делов прочности, текучести, упругости и уменьшению пла­ стичности деформированного материала. Упрочнение ме: талла при пластической деформации называется накле­ пом.

Существенное влияние на предел текучести и дефор­ мационное упрочнение <2казывают температура и скорость деформации. Эта зависимость обусловлена тем, что ди­ слокации в процессе движения должны преодолевать энергетические барьеры. Термическая активация помога­ ет прохождению этих процессов. Поэтому при снижении температуры сопротивление деформированию увеличива­ ется. Предел текучести во всех металлах при понижении температуры возрастает. Термическая активация эф­ фективно действует не только на начальных стадиях де­ формации, но и на более поздних — в процессе развития деформационного упрочнения.

Повышение скорости деформации действует на пре­ дел текучести и деформационное упрочнение аналогично снижению температуры: с повышением скорости прило­ жения нагрузки растет напряжение начала пластической деформации. При очень малых скоростях деформации, сравнимых со скоростями протекания диффузионных про­ цессов в кристаллах, опять наблюдается некоторый рост напряжения начала пластической деформации. Это свя­ зано с тем, что при столь малых скоростях нагружения происходит «залечивание» слабых мест в кристалле.

Помимо температуры и скорости деформации на пре­

Рис. 11.19. Кривые неупругости металла

а — релаксации напряжений; б — релаксации ползучести; 1— 111 — периоды

жений, ползучесть, выносливость, ударная вязкость и внутреннее трение.

Релаксация напряжений является процессом уменьше­ ния во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластиче­ скую при условии постоянства общей деформации. Релак­ сация напряжений наблюдается в предварительно напря­ женной арматуре в период изготовления железобетонных конструкций. Развитие процессов релаксации напряжений в металлах имеет три ярко выраженных периода (рис. 11.19): первый — период большой скорости и значитель­ ного падения напряжений; второй — резкого снижения скорости и замедления падения напряжений; третий — резкого увеличения скорости.

Первый период непродолжителен (10—24 ч), но поте­ ри напряжений к началу второго периода составляют 50—70 % общих потерь. Следует отметить, что этот пери­ од совпадает по времени с технологией изготовления же­ лезобетонных изделий, когда на напряженную арматуру воздействуют различные факторы (вибрация, перепад температуры и пр.).

Процесс релаксации в металлах обусловлен следую­ щими механизмами: сдвигово-дислокационным (объясня­ ется вязким течением по границам зерен, развитием пла­ стических деформаций внутри зерен и движением дисло­ каций); диффузионным (объясняется диффузией атомов из напряженных областей атомной решетки в менее на­ пряженные) ; дислокационно-диффузионным (объясняет­ ся падением напряжения в стали при совместном разви­ тии процессов движения дислокаций и диффузии атомов).

Под ползучестью пойимают процесс увеличения де­ формации во времени ,при постоянном напряжении1. Он начинается сразу после возникновения мгновенной дефор­ мации. Явление ползучести (крип) играет важную: роль в технике. Под действием длительно приложенной, на­ грузки может развиваться значительная деформация кон­ струкций, а иногда и ее разрушение. Таким образом, пол­ зучесть лимитирует длительность эксплуатации конструк­ ций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур. Процесс ползучести способен существенно изменить структуру металла, а сле­ довательно, и его механические характеристики.

Скорость ползучести может меняться в очень широких пределах. Она ничтожна для низких температур и малых напряжений и значительна при высоких температурах и больших нагрузках. Проявления ползучести многообраз­ ны, и характер этого процесса определяется в основном температурой и нагрузкой.

Ползучесть при низких температурах и малых напря­ жениях характеризуется тем, что ее скорость со време­ нем уменьшается и постепенно становится равной нулю, т. е. процесс ползучести прекращается. При высоких тем­ пературах и больших напряжениях ползучесть протекает гораздо интенсивнее и приводит к значительным дефор­ мациям и разрушению. Для этого типа ползучести харак­ терны уменьшение скорости ползучести вначале до неко­ торого постоянного значения, затем снова увеличение пе­ ред разрушением.

Между основными реологическими характеристиками металлов — ползучестью и релаксацией — существует тесная связь, так как физико-механические основы обо­ их явлений одинаковы. Они являются следствием несо­ вершенства структуры металлов, наличия в них дислока­ ций, движение которых вызывает пластическую дефор­ мацию. Потери напряжений от релаксации в арматуре являются одним из основных слагаемых потерь предва­ рительного напряжения. Их величина влияет на момент трещинообразования железобетонных конструкций, ши­ рину раскрытия трещин, деформации элементов и тем самым может определять количество напрягаемой рабо­ чей арматуры.

В зависимости от вида и условий нагружения метал*- лЫ могут разрушаться вязко или хрупко. Вид разруше­ ния образца зависит, в первую очередь, от соотношения

его предела текучести, определяющего сопротивление ме­ талла пластической деформации, и сопротивления отрыву.

При понижений температуры испытания или увеличе­ нии скорости приложения нагрузки предел текучести по­ вышается, а сопротивление металла хрупкому отрыву ос­ тается практически без изменения. С увеличением скоро­ сти приложения нагрузки (сверх критической) при дан­ ной температуре может произойти разрушение металла путем отрыва под действием нормальных напряжений раньше, чем под действием касательных напряжений произойдет пластическая деформация.

Таким образом, переход от статических испытаний (статическое растяжение, сжатие и др.) к динамическим (ударный изгиб) позволяет определить склонность метал­ ла к хрупкому разрушению в условиях неоднородности напряженного состояния и динамического нагружения.

Детали строительных конструкций имеют сложную конфигурацию, и напряжения в них распределяются не­ равномерно, а концентрируются в местах переходов се­ чений, дефектов металла и т. д. Например, гладкий лист или труба всегда имеют на поверхности какие-то неров­ ности и шероховатости, которые также являются концент­ раторами напряжений. Как практически нельзя получить металл без искажений в кристаллической решетке, так и нельзя иметь изделие или деталь без концентраторов напряжений.

Концентраторы напряжений приводят к снижению кон­ структивной прочности металла. В металле, не способном к пластической деформации, состояние неравномерного напряжения сохранится и в местах концентрации напря­ жений может возникнуть трещина, которая еще более усилит неравномерность распределения напряжений и ус­ корит разрушение. Поэтому для надежной и безопасной эксплуатации нагруженных конструкций необходимо, что­ бы металл наряду с высокой прочностью всегда имел из­ вестный запас пластичности или вязкости.

Все методы значительного упрочнения металла ведут одновременно к понижению запаса его пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что при упрочнении ме­ талла происходит увеличение плотности дислокаций, не­ совершенств и дефектов кристаллической решетки, кото­ рые повышают сопротивление металла пластическому сдвигу относительно быстрее, чем сопротивление отрыву.

При относительно малых степенях упрочнения метал­