Образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла:

а – схема движения дислокации; б-краевая дислокация в

кристаллической структуре; в– дислокация перемещена на два

межатомных росстояния в решетке под влиянием приложенного

напряжения; г– выход дислокации на поверхность и появление сдвига.

Движение дислокаций в процессе деформаций вызывает появление большого количества новых дислокаций. Один из механизмов зарождения новых дислокаций – источник Франка – Рида (рис.3).

Рисунок 3 – Схема последовательных стадий работ дислокационного источника Франка – Рида.

Процесс сдвига в кристалле происходит тем легче, чем больше дислокаций будет в металле. С ростом числа дислокаций они располагаются в разных плоскостях и мешают друг другу перемещаться. На этом основаны способы упрочнения металлов путем механического наклепа.

За счет движения и размножения дислокаций происходит пластическая деформация всех реальных металлических материалов: как монокристаллов, так и поликристаллов, за исключением монокристаллов, не содержащих дислокаций в исходном состоянии — так называемых«нитевидных усов». Для того, чтобы в твердых кристаллах началась деформация, необходимо, прежде всего, чтобы в них зародились дислокации. Поэтому вплоть до очень высоких значений напряжений (в «усах» чистого железа, примерно, до 10000—13000 МП а) деформация осуществляется упруго. После того же, как дислокации зародились, на их движение и размножение, приводящее к пластической деформации, требуются напряжения такие же, как в обычных монокристаллах (в железе ~ 10 МПа). Рассмотренный механизм протекания пластической деформации в нитевидных монокристаллах («усах») помогает понять, почему для них на диаграммах деформации ((рис. 4) наблюдается огромный зуб.

Рисунок 4 – Диаграммы напряжение — деформация для нитевидных монокристаллов различных ориентировок:1 – [111]; 2 – произвольная ориентация

В поликристаллических материалах реализуются те же механизмы пластической деформации, что и рассмотренные для монокристаллов, с той лишь разницей, что в монокристаллах при приложении нагрузки весь объем находился в однородном напряженном состоянии, а в поликристалле разные зерна находятся в различных напряженных состояниях. В разных зернах может работать разное число систем скольжения, поэтому деформация в различно ориентированных зернах неоднородна. Кроме того, в поликристаллах сдвиг одного зерна в другое передается через границу и осуществляется неодинаково в разных зернах. Даже в пределах одного зерна деформация неоднородна из-за скольжения дислокаций у границ.

Если разориентировка соседних зерен мала, то скольжение дислокаций относительно легко переходит из одного зерна в другое. Если же разориентировка зерен велика, то переход дислокаций из одного зерна в другое затруднен, деформация сосредоточена у границ зерен.

В поликристаллических материалах меньшее число дислокаций выходит на поверхность образца по сравнению с монокристаллами и большее их число тормозится в объеме. Поэтому в поликристаллических материалах прочностные характеристики более высокие, а пластические— более низкие, чем в монокристаллах и сильно зависят от размеров зерна.

Двойникование – способ пластической деформации, характерный для металлов, имеющих плотноупакованные решетки (К12, Г12). Заключается в переориентации части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости двойникования (рис.5). Двойникование сопровождается прохождением дислокаций сквозь кристалл. В металлах с ОЦК и ГЦК решеткой двойникование наблюдается только при больших степенях деформации и низких температурах.

Упрочнение как результат торможения дислокаций. Упрочнение металлов осуществляется за счет увеличения полезной плотности дислокаций путем механического наклепа (явление, при котором с увеличением степени холодной деформации ниже 0,15-0,2 Т_пл. свойства, характеризующие сопротивление деформации (σ_В, σ_Т, HRB и др.), понижаются, а пластичность уменьшается. При наклепе увеличивается количество дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов), при этом затрудняется движение дислокаций.

Рисунок 5 – Схема упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига:

а–первоначальный кристалл; б– упругая деформация; в–увеличение упругой и пластической деформации, вызванных скольжением, при нагружении, большем предела упругости; г–напряжение, обуславливающее появление сдвига; д– образование двойника

Измельчение зерна и блоков мозаики, термическая обработка и легирование создают несовершенства и искажения кристаллической решетки, препятствующие свободному передвижению дислокаций. За счет термической обработки создают структуры с упрочняющими фазами, вызывающими дисперсионное твердение, которые также препятствуют свободному передвижению дислокаций.

Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

Вопрос № 3 – Виды разрушения

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Разрушение происходит в результате развития нескольких трещин или слияния трещин в одну магистральную, по которой металл разрушается. Разрушение может быть хрупким и вязким.

Механизм зарождения трещин при хрупком и вязком разрушениях одинаков. Скопление дислокаций перед препятствием в ходе пластической деформации является причиной возникновения микротрещины. В таком месте дислокации приходят в такое тесное соприкосновение, что их экстраплоскости сливаются, а под ними образуется зародышевая трещина.

Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 10¹² – 10¹³ см ^—2, а касательные напряжения у вершины их скопления 0,7 G. При хрупком разрушении возникшая трещина становится нестабильной и растет самопроизвольно, если ее длина при заданном напряжении превышает некоторое критическое значение, а вершина трещины сохраняет остроту, соизмеримую по радиусу у вершины с атомными размерами. В этом случае напряжения краю трещины оказываются достаточными для нарушения межатомной связи (критерий Гриффитса).

При разрушении распространяющаяся трещина будет окаймлена узкой зоной пластической деформации, на создание которой затрачивается дополнительная энергия. Вязкое и хрупкое разрушения отличаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком – эта зона мала, при вязком – величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, и трещина затупляется в вершине. Вязкое разрушение идет с малой скоростью роста трещины, а хрупкое – с очень большой. Транскристаллитное разрушение – по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (только хрупкое).

Вопрос № 4 Классификация механических свойств металлов

Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще – это испытания на растяжение _0,2, _В, , , Е – базовые характеристики материала, включены в ГОСТ.

Относительное удлинение  - отношение абсолютного удлинения к его первоначальной расчетной длине l₀ в процентах

Относительное сужение  - отношение абсолютного сужения образца к первоначальной площади его поперечного сечения в процентах .

Испытания на сжатие – применяют для материалов, хрупких при растяжении (чугуны, алюминиевые сплавы и др.). При сжатии образцы разрушаются срезом. Определяют предел прочности при сжатии.

Испытания на изгиб – применяют для хрупких материалов (чугун, инструментальные стали после поверхностного упрочнения). Испытания проводят сосредоточенной нагрузкой на образцах, лежащих на двух опорах. Предел прочности при изгибе _изг(_max) = М_max/ , где М_max – максимальный изгибающий момент;  - характеристика сечения образца (для прямоугольного сечения =bh²/6 – для прямоугольного сечения и =r³/32 – для круглого сечения).

Надежность конструкций во многом определяется сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной (острой) трещины (т.е. вязкостью разрушения), а не ее зарождению.

По Ирвину, явления, происходящие у устья трещины могут быть описаны с помощью параметра К – это коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение интенсивности напряжений в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у ведущего конца трещины.

К = Y_Нс , где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа (размеров) образца и трещины, _Н – номинальное (среднее) напряжение вдали трещины, с – длина трещины.

К_С – критическое значение коэффициента, когда трещина начинает расти. При испытаниях в условиях плоского дефформированного состояния обозначают К_1С – вязкость разрушения. Эта величина определяет способность металла противостоять развитию трещиныю (поэтому называют трещиностойкостью). Это структурно чувствительная характеристика материала.

Испытания проводят на образцах с надрезом.

Твердость металлов – это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое.

По Бринелю – вдавливание стального шарика, измерение диаметра отпечатка после снятия нагрузки.

По Роквеллу – вдавливание алмазного конуса или стального шарика, измеряют глубину вдавливания (точнее остаточное увеличение глубины внедрения после снятия основной нагрузки и сохранения предварительной нагрузки).

По Виккерсу – вдавливание алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды и измерение диагонали отпечатка после снятия нагрузки.

Микротвердость – определение твердости в микроскопических оъемах, определение твердости по Виккерсу, только при небольших нагрузках и с помощью металлографического микроскопа.

Динамические испытания – испытания, при которых скорость деформирования значительно выше, чем при статических испытаниях.

Динамические испытания на ударный изгиб определяют склонность сталей к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с надрезом (крнцентратором напряжений) ударом маятникого копра. По шкале маятникого копра определяют полную работу К, затраченную при ударе.

Ударная вязкость КС (Дж/м²) – это работа, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора напряжений. Яаляется интегральной характеристикой, включающей работк зарождения и работу распространения вязкой трещины: КС = а_З + а_Р.

Порог хладноломкости – это температура, при которой в изломе образца после испытаний имеется 50% волокна (рис. 9).

Рисунок 6 – Схема хрупкого (I) и вязкого (II) разрушений металла в зависимости от температуры испытания

Циклические нагрузки.Усталостью называют постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению (это может происходить при напряжениях гораздо менее _0,2). Свойство металла сопротивляться усталости называют выносливостью.

Испытания на усталость проводят при переменных напряжениях. Цикл напряжения – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения.(рис.8в)

Рисунок 8 – Схема циклического нагружения: а–растяжением;