- •Тема I. Кристалічна будова металів
- •1.1. Загальна характеристика металів
- •1.2. Електронна будова атома
- •1.3. Типи міжатомних зв'язків у твердих тілах
- •1.2. Атомно-кристалічна структура металів
- •1.3. Анізотропія властивостей металів.
- •1.4. Дефекти кристалічної будови металів
- •1.6. Методи дослідження структури
- •Тема 2. Кристалізація металів
- •2.1. Первинна кристалізація металів
- •2.2. Будова металевого злитка
- •2.3. Поліморфні перетворення
- •Тема 3. Основи теорії сплавів
- •3.1. Основні поняття та визначення. Типи сплавів
- •3.2.Основні типи діаграм стану подвійних сплавів
- •3.3. Зв’язок між типом діаграми стану, складом і властивостями сплавів
- •Тема 4. Пластична деформація та механічні властивості металів і сплавів
- •4.1. Напруження, що виникають у металі при навантаженні. Пружна та пластична деформація. Вплив пластичної деформації на структуру і властивості металу
- •4.2. Вплив нагріву деформованого металу на його структуру та властивості
- •4.3. Механічні властивості металів і сплавів
- •4.4. Теоретична і реальна міцність металів та шляхи її підвищення
- •Тема 5. Залізо та його сплави
- •5.1. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів
- •5.2. Процеси, які відбуваються при температурах, які відповідають лініям діаграми стану “залізо – цементит”
- •5.3. Вуглецеві сталі
- •5.3.1. Вплив постійних домішок на властивості сталі
- •5.3.2. Класифікація та маркування вуглецевих сталей
- •5.4.Чавуни
- •5.4.1. Вплив хімічного складу і швидкості охолодження на структуру і властивості чавуну.
- •Тема 6.Теорія термічної обробки сталі
- •6.1. Сутність, призначення та класифікація видів термічної обробки
- •6.2. Перетворення в сталі при її нагріванні
- •6.3. Перетворення, що відбуваються в сталі при її охолодженні
- •6.4. Перетворення, що відбуваються у сталі при відпусканні
- •7.2. Відпалювання
- •7.3.Нормалізація сталі
- •7.4. Гартування сталі
- •7.5. Відпускання
- •7.6. Термомеханічна обробка (тмо) сталі
- •Тема 8. Хіміко-термічна обробка сталі
- •8.1. Сутність, призначення та основні процеси, що відбуваються при хіміко-термічній обробці сталі
- •8.2. Цементація сталі
- •8.3. Азотування сталі
- •8.4. Ціанування (нітроцементація) сталі
- •8.5. Дифузійне насичення металами (металізація) і неметалами.
- •Тема 9. Леговані сталі
- •9.1. Вплив легуючих елементів на поліморфізм заліза і на ферит
- •9.2. Вплив легуючих елементів на перетворення в сталі
- •9.3. Класифікація та маркування легованих сталей
- •9.4.Конструкційні леговані сталі
- •9.5.Інструментальні сталі
- •9.6. Корозійностійкі (нержавіючі) сталі
- •Тема 9. Кольорові метали та сплави
- •9.1. Алюміній і сплави на його основі
- •Деформівні алюмінієві сплави
- •Ливарні алюмінієві сплави
- •9.2. Магній та його сплави
- •9.3. Титан і його сплави
- •Сплави на основі титану
- •9.4. Мідь і її сплави
- •9.4.1Латуні
- •9.4.2.Бронзи
- •9.4.2.1.Олов’яні бронзи
- •9.4.2.2.Алюмінієві бронзи
- •9.4.2.3.Кремнієві бронзи
- •9.4.2.4.Берилієві бронзи
- •9.5. Підшипникові (антифрикційні) сплави
- •Тема 11. Неметалеві матеріали
- •11. 1. Пластичні маси 11.1.1. Пластичні маси, їх властивості та склад
- •11.1.2. Термопластичні пластмаси(термопласти)
- •11.1.3. Термореактивні пластмаси (реактопласти)
- •11.2. Гумові матеріали
- •Література
4.4. Теоретична і реальна міцність металів та шляхи її підвищення
Підвищення міцності (σв, σ0,2) та опору втомленості (σ-1) металів і сплавів при збереженні достатньо високої пластичності (δ, ψ), в’язкості (КСU, KCT) і тріщиностійкості (К1С) забезпечує більш високу надійность і довговічність машин і знижує їх металомісткість завдяки зменшенню поперечного перерізу деталей при збереженні їх конструктивної міцності.
Розрізняють технічну і теоретичну міцність металів.
Технічну міцність характеризують такі властивості, як границі міцності (σв), текучості (σ0,2) та ін..
Теоретична міцність – це опір деформації і руйнуванню матеріалу згідно теоретичним розрахункам з урахуванням сил міжатомної взаємодії при умові, що міжатомні зв’язки руйнуються одночасно між усіма сусідніми атомами, які розташовані в двох площинах атомів, що зміщуються одна відносно іншої, під дією зсувних напруг.
Орієнтовно теоретичну міцність метала можна визначити за формулою:
τтеор = G / (2·π), (4.13)
де G – модуль зсуву.
Теоретична міцність, згідно підрахункам за формулою (4.13), на два-три порядка більше технічної, що пов’язано з існуванням у реальному металі дефектів кристалічної будови, особливо, дислокацій.
На рис.4.12 наведений графік залежності міцності (σв) від густини дислокацій (ρ) в металі, який показує, що підвищення міцності металів і сплавів можна забезпечити або отриманням металів з бездефектною структурою, або збільшенням густини дефектів (у т.ч. і дислокацій), що утруднює рух дислокацій.
Сучасний стан розвітку технології вирощування монокристалів дозволяє отримувати кристали, які практично не містять дефекти, але невеликих розмірів: завдовжки 2…10 мм і завтовшки 0,5…2 мкм. Такі кристали мають міцність, що наближується до теоретичної: наприклад, границя міцності нитковидних кристалів заліза становить 13000 МПа, міді -3000 МПа, цинку – 2250 МПа при границі міцності технічного заліза 250 МПа, міді – 240 МПа, цинку – 180 МПа.
Малі розміри нитковидних кристалів і їх висока чутливість до поверхневих дефектів обмежує їх практичне використання в техніці.
На практиці частіше використовують інший шлях підвищення міцності металів – збільшення густини дислокацій та інших дефектів. Реалізація цього шляху відбувається такими способами:
холодною пластичною деформацією (деформаційне зміцнення);
отриманням сплавів-твердих розчинів (твердорозчинне зміцнення);
σв
`
ρ
Рис.4.12. Графік залежності міцності металу (σв) від густини дислокацій (ρ): 1 – теоретична міцність; 2 – міцність «вусів»; 3 – міцність незміцнених (відпалюваних) металів; 4 – міцність металів і сплавів, що зміцнені легуванням, наклепом, термічною або термомеханічною обробробками
отриманням дрібнозернистого метала (зернограничне зміцнення);
створенням в сплавах високодисперсної гетерофазної структури (дисперсне зміцнення);
термічною (гартування) або комбинованою (термомеханічною (деформаційне зміцнення + гартування)) обробкою.
Деформаційне зміцнення. Результат такого зміцнення можна визначити за формулою (4.3), тому що зміцнення метала при пластичному деформуванні забезпечується збільшенням кількості дефектів кристалічної будови (дислокацій, вакансій, міжвузлових атомів), які утруднюють рух дислокацій і, відповідно, підвищують опір деформуванню та знижують пластичність, при цьому найбільше значення має збільшення густини дислокацій.
При деформаційному зміцненні сильно знижується опір крихкому руйнуванню, тому такий метод зміцнення не забезпечує високої конструктивної міцності металів і використовується для сплавів-твердих розчинів.
Твердорозчинне зміцнення.При утворенні твердих розчинів міцність (σв, σт, σ0,2) і твердість (НВ) підвищуються. Орієнтовно зміцнення при утворенні твердого розчину може бути визначено за формулою Мотта-Набарро:
σт = G ∙ ε2 ∙ C, (4.14)
де: ε – параметр, який залежить від різниці атомних радіусів розчинного компонента (R) і розчинника (R0);
ε = (R - R0) / R0, (4.15)
С – атомна концентрація розчинного компонента.
При цьому утворення твердого розчину проникнення забезпечує у декілька разів більше зміцнення, ніж при утворенні твердого розчину заміщення при однаковій концентрації розчинного компонента.
Зернограничне зміцнення.Граница зерна – ефективна перешкода для руху дислокацій в металах. Це пояснюється тим, що дислокація не має можливості переходити границю зерна внаслідок різної орієнтації площини руху дислокації і площини ковзання в новому зерні. Тому, чим дрібніше зерна, тим міцніше метал.Математично взаємозв’язок між границею текучості (σт) і розміром зерна (d) описується формулою Холла-Петча:
σт = σ0 + k∙ d -1/2, (4.16)
де σ0, k – постійні параметри для данного метала або сплава.
Дисперсійне зміцнення.Найбільш сильно характеристики міцності підвищуються при створенні в сплавах високодисперсної гетеро фазної структури шляхом послідовного проведення гартування і старіння (природного або штучного). Зміцнення при старінні забезпечується гальмуванням дислокацій або зонами Гіньє-Престона (ГП), або дисперсними частинками зміцнюючих фаз (наприклад, карбіди і нітриди в сталях).