4. Основные направления повышения прочности металлов. Конструктивная прочность

В реальной конструкции материал должен обладать как высоким значением сопротивления пластическим деформациям _т, так и высоким значениям прочности S_k и особенно S_0Т. До сих пор в реальных конструкциях используется менее 0,1 от теоретической прочности металлов.

Из рассмотрения дислокационного механизма пластической деформации явствует, что плотность дислокаций на сопротивление металла пластическим деформациям влияет немонотонно. Если бы в металле не было дислокации, то такой материал при нагружении, не деформируясь, обнаружил бы показатели прочности, равные теоретическим. В настоящее время созданы тонкие (d меньше, чем 5 мкм) нитевидные монокристаллы (усы), которые практически не имеют дислокаций. Оказалось, что такие материалы имеют очень высокую прочность: для железа, например, 1350 к Г/мм²; для MgO 2500 к Г/мм², что близко к теоретической.

Увеличение плотности дислокаций в металле до значения _k, рис. 47, приводит к понижению значения прочности. Дальнейшее увеличение плотности дислокаций приводит к новому росту прочностных свойств. Поэтому из рис. 47 вытекает два направления повышения прочности металлов. Первый путь наиболее эффективный — создание бездислокационных материалов. На данной стадии развития техники этот метод только начинает применяться. Однако имеющиеся данные позволяют предсказать этому направлению большое будущее. Уже в настоящее время разработаны композиционные материалы, представляющие собой вязкие материалы, упрочненные нитевидными кристаллами (усами).

Весьма широко используется второй путь: упрочнение металла за счет искусственного повышения плотности дислокации (например пластической деформацией) или за счет затруднения перемещения дислокации при нагружении металла. Это достигается закреплением дислокаций инородными атомами в сплавах, когда такие атомы скопляются преимущественно в зонах дислокаций, образуя так называемые атмосферы Котрелла, Су-зуки. Препятствуют перемещению дислокации также мелкодисперсные включения карбидов, нитридов, интерметаллических соединений. Эффективного упрочнения добиваются термообработкой, в результате чего возникают большие внутренние напряжения, измельчается блочная структура металлических сплавов, увеличивается количество дислокации. Все шире используется комбинированные (пластическая деформация совместно с термической обработкой) способы обработки металлов и сплавов, повышающие сопротивление деформированию и разрушению.

Однако следует помнить, что повышение плотности дислокации или создание условий, препятствующих их перемещению, хотя и повышает значения _т и S_0T, но в разной степени. Обычно с ростом плотности дислокации и других искажений в кристаллической решетке сопротивление срезу S_k и _т возрастает быстрее, чем сопротивление отрыву S_0T рис. 48. При S_0T<_т окажется исчерпанной пластичность металла, что весьма опасно при эксплуатации металлоконструкций, так как при нагружении, ввиду высоких значений _т раньше будет достигнуто значение S_0Т, и конструкция разрушится хрупко. Поэтому важнейшей задачей инженера является создание материалов, обладающих в условиях эксплуатации оптимальным сочетанием прочности, пластичности, вязкости.

Единого правила для выбора необходимого критерия, характеризующего конструктивную прочность материала для различных изделий, к сожалению, нет. Приводятся лишь общие рекомендации по выбору комплекса свойств для конкретного назначения: а) напряженное состояние образцов и изделий, для которых предназначен данный материал, должно быть близким; б) условия испытания (температура, среда) образцов и условия эксплуатации изделия должны быть одинаковыми; в) характер разрушения, вид излома в образцах и изделиях должны быть аналогичными.

Как отмечалось выше, в ряде случаев не удается выявить материалы для конкретных условий работы, пользуясь данными, которые получены при лабораторных испытаниях стандартных образцов. Поэтому прибегают к натурным и стендовым испытаниям, что, конечно дорого, но является необходимым.