3.7.2. Механические свойства металлов и сплавов

Металлические конструкции и детали различных машин, механизмов для успешного выполнения служебных функций должны обладать определенным комплексом механических свойств, из которых главным является прочность.

Механические свойства металлов и сплавов зависят от следующих основных факторов:

• от природы металла - типа кристаллической решетки и величины межатомных сил;

• от химического состава сплавов, имеющих как полезные компоненты (обеспечивающие повышение механических свойств), так и вредные примеси; в сплавах цветных металлов к числу вредных относятся разные элементы; для сталей вредными примесями считаются прежде всего сера, фосфор, мышьяк;

• от наличия в металлах и сплавах мелких неметаллических включений и растворенных газов (О, Н, N), количество которых определяется техноло­гическим режимом металлургического производства;

• от условий кристаллизации металлов и сплавов, влияющих на размер зерна (кристаллита), на степень ликвации отдельных элементов, на размеры и распределение в объеме слитка или отливки усадочных раковин и газовых пузырей.

На механические свойства металлических изделий сильное влияние оказывает последующая их обработка: термическая, термохимическая, термо­механическая.

Металлические изделия и конструкции (рельсы, зубчатые шестерни, валы и оси, опорные валки и др.) в ходе эксплуатации подвергаются воздействию различных сил (статических, динамических, ударных), в результате чего происходит деформация этих изделий и конструкций.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под дейст­вием приложенных к нему сил. Различают деформацию упругую и пластическую. Упругой называют деформацию, которая устраняется после снятия нагрузки. При этом происходит только незначительное и обратимое смещение атомов в кристаллической решетке; остаточных изменений структуры и свойств металлов упругая деформация не вызывает. Пластической называют такую деформацию, которая не устраняется после снятия нагрузки. В этом случае происходит необратимое изменение формы, структуры и свойств металла.

Достаточно полную характеристику механических свойств металла дают испытания на растяжение стандартного образца с записью на приборе диаграммы растяжения, на оси ординат которой отмечается напряжение (σ = P:S - сила, действующая на единицу площади поперечного сечения образца, а на оси абсцисс - степень деформации, ε - относительное уменьшение площади поперечного сечения (рис. 3.21)).

До точки А наблюдается прямая про­порциональность между ε и σ, σ = Е^●ε. Это область упругих деформаций. Коэф­фициент Е = σ:ε называют модулем упру­гости материала, а напряжение, соответ­ствующее точке А, - пределом пропор­циональности σ_пц. В этой области остаточная деформация не превышает 0,05%. Напряжения, вызывающие оста­точную деформацию 0,2%, называют условным пределом текучести σ₀₂. Даль­нейшее повышение нагрузки вызывает более значительную пластическую дефор­мацию.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности - σ_в. При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением металлического тела. Разрушение состоит из двух стадий: зарождение трещины и ее распространение через все сечение образца. Разрушение может быть хрупким или вязким. Хрупкое разрушение происходит с высокой скоростью (для стали до 2500 м/с), поэтому его иногда называют «внезапным» или «катастрофическим».

При испытаниях на растяжение пластичных металлов происходит не только увеличение длины образца, но и сужение его поперечного сечения - образуется так называемая «шейка», где и происходит разрушение образца. В связи с этим значения напряжения в металле, характеризуемые кривой ABC на рис. 3.21, являются заниженными, так как рассчитываются на начальное поперечное сечение образца. Действительное напряжение характеризуется кривой АС.

Твердость металлов определяется по размерам отпечатка, образовавшегося на поверхности изделия после вдавливания с постоянным усилием (Р), либо твердого стального шарика (метод Бринелля - НВ), либо алмазного конуса (метод Роквелла - HR), либо алмазной пирамиды (метод Виккерса - HV).

0,2 5-7 40-50

СТЕПЕНЬ ДЕФОРМАЦИИ, %

Рис. 3.21. Диаграмма растяжения металлов:

I - область упругих деформаций;

II - пластической деформации;

III - развития трещин

Склонность металла к хрупкому разрушению определяют по величине работы, пошедшей на разрушение образца изломом (рис. 3.22) - в результате удара.

Рис. 3.22. Схема определения ударной вязкости металлического образца

Длительное воздействие повторно-переменных напряжений может вызвать образование трещин и разрушение тела даже при напряжениях ниже а_{0 2}. Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок называется усталостью металла. Около 80% всех разрушений происходит в результате возникновения очага разрушения, обусловленного усталостью металла. Предел выносливости металла зависит от тщательности обработки поверхности изделия, наличия концентраторов (очагов повышенных напряжений); усталостное разрушение наступает быстрее при наличии растягивающих усилий, в результате коррозии.

Работа всех механизмов неизбежно сопровождается износом соприка­сающихся поверхностей деталей в результате трения (подшипники скольжения и качения, зубья шестерен, детали двигателей внутреннего сгорания, режущие инструменты и др.). Для таких узлов очень важно подбирать металлы и сплавы, обладающие высоким сопротивлением износу. Различают следующие виды изнашивания: механическое, коррозионно-механическое, электро-эррозионное. С целью изучения износостойкости металлов проводят испытания на специальных установках, где измеряется скорость поверхностного разрушения металлических образцов под действием трения при различных нагрузках и степенях шероховатости соприкасающихся поверхностей.

Реальная прочность металлов, полученных по обычным промышленным технологиям, - так называемая техническая прочность, во много раз ниже теоретической - той, которую имеют эти же металлы с бездефектной кристал­лической структурой. Как видно из рис. 3.23, прочность находится в сложной зависимости от степени нарушений правильности кристаллической решетки - плотности дислокаций. Минимальная прочность в области «а» с плотностью дислокаций 10⁶- 10⁸ см^-2 характерна для отожженных металлов. Повышать проч-

ПЛОТНОСТЬ ДИСЛОКАЦИЙ

ность металлов можно путем применения двух групп технологий, одна из которых имеет цель снизить до минимума плотность дислокаций - получать металлы с идеальной кристаллической структурой. Другая группа технологий, наоборот, направлена на увеличение плотности дислокаций в металле.

Рис. 3.23. Зависимость сопротивления деформации

от количества дефектов в кристаллах металлов:

I - теоретическая прочность; 2-4 - техни­ческая проч-

ность (2-усы; 3 - чистые неупрочненные металлы;

4-сплавы, упроч­ненные легированием, наклепом, терми­-

ческой или термомеханической обработкой)

В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содер­жащие дислокаций. Это нитевидные кристаллы небольших размеров: длиной 2-10 мм и толщиной 0,5 - 2,0 мкм - «усы». Их прочность приближается к теоретической. Так, например, пределы прочности технических металлов (числитель) и нитевидных кристаллов (знаменатель) составляют, МПа: Fe - 350/ 14000; Сu - 300/3000 и Zn - 20/250. Пока нитевидные кристаллы из-за малых размеров не находят прямого применения в технике. Однако они с успехом используются для производства композиционных материалов.

Повышение прочности металлов в результате увеличения плотности дислокаций до величины 10¹⁰ - 10¹²см^-2 (путем легирования, пластической, термической и термомеханической обработки) объясняется затруднениями в перемещении дислокаций в сильно искаженных кристаллических решетках - появлением дислокационных барьеров.