10162

связей происходит перпендикулярно плоскости разрушения, возникает разрушение сколом или отрывом. Если разрыв связей происходит под действием силы, приложенной параллельно плоскости разрушения, возни-

кает разрушение сдвигом или скольжения. В металлах может иметь место и тот и другой вид разрушения, что определяется главным образом их кристаллической структурой. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напряженного состояния, чистоты металла и т.д.

В зависимости от степени пластической деформации перед разруше-

нием различают два основных вида разрушений: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает перед разрушением не только упругую, но и значительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происхо-

дит хрупкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва или скола, когда плос-

кость разрушения перпендикулярна нормальным напряжениям (рис. 1.14).

Под действием нормальных напряжений происходит упругая дефор-

мация кристаллической решетки, а после достижения предельной степени ее искажения происходит последовательный разрыв межатомных связей с отрывом одной атомной плоскости от другой, т.е. разрушение металла.

Разрушение начинается от какого-либо дефекта, в близи которого развива-

ется концентрация напряжений, превосходящих теоретическую прочность металла.

30

а) б) в)

Рис. 1.14. Схема разрушения путем отрыва силой F:

а – исходное состояние; б – упругая деформация; в – хрупкое разру-

шение (отрыв)

У достаточно пластичных металлов, характеризующихся релаксацией напряжений, местной концентрации напряжений вблизи несплошностей оказывается недостаточно, и развитие трещин скола не происходит.

Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием касатель-

ных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 45º к

направлению главных нормальных напряжений.

Чисто сдвиговое вязкое разрушение характерно для аморфных мате-

риалов. Однако большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, а разделение на отдельные виды разруше-

ния условно проводится по преобладанию того или иного типа.

Характерными признаками вязкого и хрупкого разрушения являются энергоемкость, т.е. величина работы разрушения, вид трещины и поверх-

ности излома, скорость распространения трещины.

При хрупком разрушении затрачивается значительно меньшая работа на процесс самого разрушения, чем при вязком. Начавшееся хрупкое раз-

рушение является самопроизвольным процессом – оно происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, поэтому для распространения трещины не требуется подвод энергии извне. При хруп-

ком разрушении затраты энергии на образование новых поверхностей в результате раскрытия трещины меньше, чем освобождающаяся при этом накопленная упругая энергия.

При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа.

Для развития вязкого разрушения необходим непрерывный внешний под-

вод энергии, расходуемой на пластическое деформирование металла впе-

реди растущей трещины и преодоления, возникающего при этом упрочне-

31

ния. Работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения.

При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело трещина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), пластическая деформация вблизи поверхности разрушения почти полностью отсутствует. При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина),

поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пласти-

ческой деформации.

При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее са-

мих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транскристаллитный характер и происходит по зернам,

а не по границам между ними. При повышенных температурах межзерен-

ные границы обычно слабее зерен, поэтому разрушение имеет, как прави-

ло, межкристаллитный характер.

Макроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую по-

верхность. Плоские грани расколотых кристаллических зерен предают металлический блеск хрупкому излому. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает «речные узоры», или ручьистое строение излома (рис. 1.15,а), являющееся следствием взаимодействия движущейся трещины с дефектами кристалла, а также наличие предпочтительных кри-

сталлографических ориентаций фасеток скола. Излом при вязком разруше-

нии имеет матовый волокнистый характер без металлического блеска.

Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает характерное чашечное строение излома (рис. 1.15,б).

Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распростра-

нения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скорости распростране-

ния звука в металле. Скорость распространения вязкой трещины значи-

тельно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений.

32

в)

Рис.1.15. Микроструктура изломов: а – хрупкий ручьистый излом; б –

вязкий чашечный излом; в – вязко-хрупкое разрушение

С помощью рассмотренных признаков можно определить характер разрушения детали или конструкции (вязкий или хрупкий механизм) (рис.

1.15,в). Необходимость идентификации характера разрушения в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципиально различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении следует наоборот увеличивать вязкость и пластичность, при необходимо-

сти даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение.

Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарождение микро-

трещины; ее подрастание до критического размера; распространение мик-

ротрещины через соседние зерна. В относительно чистых металлах – это зарождение и начальное подрастание трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но затем трещина сдерживается границами зерен. По этой причине в таких металлах

33

часто наблюдают зарождение и торможение множества трещин до момен-

та неустойчивого распространения одной из них.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какими свойствами характеризуются металлы?

2.Чем металлы отличаются от неметаллов?

3.Что такое кристаллическая решетка? Основные типы кристалличе-

ских решеток.

4.Что такое точечные, линейные, поверхностные дефекты?

5.Какое влияние оказывают дефекты кристаллического строения на свойства металлов?

6. Что называется кристаллизацией?

7. От чего зависит размер зерна?

8. Почему величина кристаллов зависит от степени переохлаждения?

9. Что такое дендрит?

10. Какие свойства металлов относят к технологическим?

11. Что относится к качественным характеристикам металлов и спла-

вов?

12. На какие группы делят все металлы и образованные из них спла-

вы?

13. Что подразумевается под определением «чистый металл»?

14.Какой вид разрушения (хрупкое или вязкое) наиболее опасен?

15.Что называют конструктивной прочностью материала?

34

2. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ СПЛАВОВ

2.1. Построение кривых охлаждения

Для определения температуры кристаллизации металла применяют термический метод, заключающийся в следующем: в тигель 1 (рис. 2.1) с

расплавленным металлом погружают термопару 2; термопара представляет собой две проволоки из различных металлов (или сплавов), сваренные с одного конца; свободные концы проволок присоединены к гальванометру

3; при нагреве сваренных концов проволоки в них возникает термоэлек-

тродвижущая сила, что приводит к отклонению стрелки гальванометра;

чем выше (рис. 2.1) температура спая проволок, тем больше отклонение стрелки гальванометра; для измерения температуры на гальванометре имеется 4.

Рис. 2.1. Измерение температур при построении кривых охлаждений: 1 – тигель; 2 – термопара; 3 – гальванометр; 4 - температурная шкала

Если температуру, измеряемую таким методом, регистрировать через определенные промежутки времени, то теоретически для чистого металла,

охлаждающегося очень медленно, кривая охлаждения в координатах «тем-

35

пература – время» имеет вид, показанный на рис. 2.2, а. Проследим ход процесса кристаллизации металла по кривой охлаждения.

в

Рис. 2.2. Кривые охлаждения при кристаллизации металла и аморфного тела

Сначала, когда металл находится в жидком состоянии, температура понижается равномерно до точки А. Затем понижение температуры пре-

36

кращается и на кривой охлаждения получается горизонтальный участок.

Хотя тигель с металлом и охлаждается окружающим воздухом, но отвод тепла компенсируется выделением скрытой теплоты кристаллизации (за-

твердевания) металла.

Рис. 2.3. Схема изменения свободной энергии жидкого и твердого со-

стояний металла в зависимости от температуры

По времени кристаллизация продолжается от точки А до точки Б. К

моменту, соответствующему точке Б, кристаллизация заканчивается, весь металл переходит из жидкого состояния в твердое и после этого темпера-

тура вновь понижается равномерно. Температура Ts – теоретическая тем-

пература кристаллизации. В реальных условиях затвердевание не может происходить при этой температуре, так как свободная энергия жидкого состояния равна свободной энергии твердого состояния (рис. 2.3). Металл,

охладившись до Ts, еще не кристаллизуется, а остается некоторое время жидким.

В это время металл переохлаждается до температуры Тn (рис. 2.2,б и

2.3). Только при этой температуре начинается процесс кристаллизации.

Разность температур Ts – Тn называется степенью переохлаждения ∆Т.

Чем больше скорость охлаждения, тем больше и степень переохлаждения у данного металла (см. рис. 2.2,б).

37

В отличие от кривой охлаждения кристаллического тела (металла)

кривая охлаждения аморфного тела (рис. 2.2,в) на всем протяжении идет плавно, что указывает на постепенное его отвердевание вследствие уменьшения подвижности частиц. По своей структуре кажущееся твердым аморфное тело является переохлажденной жидкостью.

2.2. Аллотропия (полиморфизм) металлов

Аллотропией, или полиморфизмом, называется способность металлов в твердом состоянии иметь различное кристаллическое строение, а следо-

вательно, и свойства при различных температурах.

Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называ-

ется аллотропическим (полиморфным) превращением. Аллотропические формы обозначают начальными буквами греческого алфавита: альфа α,

бета β, гамма γ, дельта δ и т. д., начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

В процессе аллотропического превращения выделяется скрытая теп-

лота кристаллизации (если превращение идет при охлаждении); на кривой охлаждения аллотропическое превращение отмечается горизонтальным участком. Аллотропические превращения имеют многие металлы, напри-

мер, железо, марганец, олово, титан и др.

На рис. 2.4 приведена кривая нагрева и охлаждения железа, характе-

ризующая аллотропические превращения. Железо имеет объемно-

центрированную кубическую решетку до температуры 911°С и в интервале

1392 – 1539°С (Feα), а от температуры 911 до 1392°С имеет гранецентриро-

ванную кубическую решетку (Feγ).

Высокотемпературная α-модификация (от 1392 до 1539°С) иногда обозначается Feδ (δ – железо). При температуре 768°С происходит измене-

ние магнитных свойств: ниже 768°С железо магнитно, выше 768°С железо немагнитно. Характерным примером является аллотропия олова. При

38

температуре ниже 18°С устойчива модификация α-олова (Snα), называемая серым оловом, а выше 18°С — модификация β-олова (Snβ), называемая белым оловом. Решетка белого олова более компактна, чем серого олова, и

превращение Snβ→Snα идет со значительным увеличением объема. По-

этому при образовании на белом олове бугорка серого олова последнее,

вследствие больших объемных изменений, рассыпается в порошок. Это явление получило название «оловянной чумы», превращение необратимо.

Рис. 2.4. Кривая нагрева и охлаждения железа

Максимального значения скорость аллотропического превращения

Snβ→Snα достигает при переохлаждении примерно до температуры –

30°С. Поэтому опасность «оловянной чумы» особенно велика при хране-

нии олова в зимнее время в холодном помещении.

2.3. Основные сведения о сплавах

Металлическим сплавом называется вещество, состоящее из двух или более элементов (металлов или металлов с металлоидами), обладающее металлическими свойствами. Обычным способом приготовления сплавов является сплавление, но иногда применяют спекание, электролиз или воз-

гонку.

39