1) Хладноломкость

При низких температурах (от 0 до –269 ºC, температуры жидкого гелия) увеличивается склонность металла к хрупкому разрушению. При этом резко снижается ударная вязкость (KCU, KCT) и изменяется строение излома – от волокнистого, матового до кристаллического, блестящего.

Свойство металла хрупко разрушаться, терять вязкость при понижении температуры называется хладноломкостью.

За характеристику хладноломкости принимают температурный порог хладноломкости t₅₀. Это температура, при которой величина ударной вязкости уменьшается вдвое (рис. 35). При этом излом имеет строение наполовину вязкое, наполовину хрупкое.

2) Выносливость

Многие детали – валы, оси, шестерни – испытывают переменные по величине и направлению нагрузки. Под действием многократно повторяющихся знакопеременных нагрузок в металле накапливаются повреждения, дефекты. Это явление называется усталостью.

В таких условиях работы напряжения, меньшие и даже , могут вызвать зарождение и рост усталостной трещины. Обычно она возникает на поверхности детали и затем подрастает с каждым циклом нагружения. Это постепенно приведет к разрушению.

Выносливость – это способность металла противостоять усталости, сопротивляться разрушению при знакопеременных нагрузках.

Х арактеристики выносливости определяются из испытаний на специальных машинах циклического действия. Нагрузка, действующая на каждую точку поперечного сечения образца, непрерывно меняется по величине и направлению (рис. 36).

Рис. 36. Схема циклического нагружения при усталостных испытаниях

Пределом выносливости, или пределом усталости называется наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения образца после заданного числа циклов нагружения.

При испытании сталей стандартное число циклов нагружения N = 10⁷, при испытании цветных металлов и сплавов N = 10⁸.

Лекция 6

Структура и свойства деформированных металлов

Дислокационные процессы при деформировании

При пластической деформации в каждой плоскости скольжения перемещается множество дислокаций. Выходя на поверхность кристалла, они образуют ступеньки. Видимая под микроскопом ступенька, образованная множеством дислокаций, называется линией скольжения. Группа близко расположенных линией скольжения образует полосу скольжения. Ее можно увидеть уже невооруженным глазом. Существование линий и полос скольжения является косвенным доказательством наличия в металле дислокаций.

В начале скольжение идет легко, но с ростом степени деформации дислокации, которые движутся в пересекающихся плоскостях, начинают мешать друг другу. Возникает сложная дислокационная структура («лес дислокаций»). Казалось бы, при выходе дислокации на поверхность кристалла она исчезает, поэтому плотность дислокаций должна уменьшаться, но на самом деле она растет! Это происходит потому, что в процессе скольжения все время появляются новые дислокации. Их плотность повышается с 10⁶ см^-2 до 10¹² см^-2. Появление новых дислокаций возможно разными способами, но важнейшим из них является источник Франка-Рида (рис. 37).

Рис. 37. Схема действия источника Франка-Рида

Закрепленный какими-то препятствиями участок дислокации (1) выгибается под действием касательных напряжений τ (2), пока не примет форму полуокружности (3). Дальше – самопроизвольное распространение в виде двух спиралей (4, 5). При их встрече возникает расширяющаяся петля A и отрезок дислокации ab (6). Отрезок занимает исходное положение и может повторять цикл (7). От одного источника Франка-Рида распространяются сотни новых дислокаций.

Наклеп

Увеличение плотности дислокаций затрудняет дальнейшее скольжение. Для того чтобы продолжать деформировать металл, нужны большие напряжения. Металл упрочняется, его сопротивление деформированию растет. Это значит, что повышаются его прочностные характеристики (HB, , , ), а пластичность и вязкость (, , KCU) – снижаются. Это явление называется деформационным упрочнением или наклепом.

Чем больше степень деформации, тем заметнее изменения в микроструктуре: все больше зерен приобретают неравноосную форму. При степени деформации 70-80 % все зерна вытягиваются в направлении действующих напряжений (рис. 38).

Рис. 38. Изменение микроструктуры металла

при наклепе

( – степень деформации, величина относительная) Рис. 39. Изменение механических

свойств металла при наклепе

Из графика зависимости механических свойств от степени деформации (рис. 39) видно, что металл сильно упрочняется в начале деформирования, затем все медленнее. растет быстрее . У сильно наклепанных металлов предел текучести и предел прочности равны, пластичность же при этом близка к нулю. Это – предельное деформированное состояние металла, предшествующее разрушению. Плотность дислокаций составляет 10¹² см^-2, бóльшую их плотность создать невозможно, так как неизбежно возникают зародыши трещин.

В результате наклепа предел прочности и твердость могут увеличиться в 1,5-3 раза, предел текучести – в 3-7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее, чем с ОЦК.

Физические свойства при наклепе тоже изменяются, в частности, растет удельное электросопротивление, снижается магнитная проницаемость.

Явление наклепа широко используется в технике для повышения прочности деталей при холодной обработке давлением: обкатка шариками и роликами поверхности готовых деталей, дробеструйный наклеп рессорных листов. Вязкие металлы (латуни, алюминиевые сплавы) лучше обрабатываются резанием после наклепа.