Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
3.2. Упругая и пластическая деформация Деформацией называется изменение форм и размеров тела под действием приложенных сил (как внешних, так и возникающих в са- мом материале в результате протекания различных структурно-фа- зовых превращений или вследствие температурного градиента). Воз- никающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют вид σ = Р/F H/м². Сила F, приложенная к некоторой площади, чаще не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом. Тогда её можно разложить на две составляющие: нормальную (пер- пендикулярную плоскости), создающую нормальное напряжение, и касательную, действующую в плоскости площадки и вызывающую касательное напряжение. Эти напряжения используют в расчетах на прочность, так как одни процессы при деформации и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформа- ция, разрушение путем среза), другие – нормальными (разрушение отрывом). Напряжения, рассчитанные как отношение нагрузки в дан- ный момент к исходной площади сечения (без учета изменения сече- ния), называют условными и обозначают σ (нормальные), τ (касатель- ные). Истинные напряжения, определяемые с учетом изменения сече- ния, обозначаются символами S и t соответственно. Деформация, ис- чезающая после снятия нагрузки, называется упругой, а сохраняюща- яся после прекращения действия внешних напряжений – остаточной или пластической, если деформация происходит без разрушения. При упругой деформации происходит обратимое смещение ато- мов из положений равновесия в кристаллической решетке. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структу- ре и свойствах металла. После снятия нагрузки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращаются в исходное равновесное положение и кристаллы приобретают первоначальные форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодей- ствия. В основе пластической деформации лежит необратимое переме- щение одних частей кристалла относительно других под действием касательных напряжений, превышающих определённую величину. После снятия нагрузки исчезает лишь упругая составляющая дефор- мации. Пластичность, т.е. способность металлов до разрушения претер- певать значительную пластическую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляет- 23 ся обработка металлов давлением. Пластичность позволяет перерас- пределять локальные напряжения равномерно по всему объему ме- талла, что уменьшает опасность разрушения. Для металлов характер- но большее сопротивление растяжению или сжатию, чем сдвигу. Скольжение происходит по кристаллографической плоскости или плоскостям скольжения с более плотной упаковкой атомов, где со- противление сдвигу наименьшее, так как в этом случае расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее. Скольжение осуществляется в результате перемещения дислокаций в кристалле. В результате скольжения кристаллическое строение перемещающих- ся частей не меняется (рис. 3.1). Рис. 3.1. Схема пластической деформации скольжением: а – исходное состояние; б – упругодеформированное состояние; в – упруго- и пластически деформиро- ванное состояние; г – состояние после пластической (остаточной) деформации по плоскости АВ; F – усилие Другим механизмом пластической деформации является двойни- кование. Как и скольжение, оно происходит за счет сдвига, однако в этом случае часть кристалла сдвигается в положение, соответствую- щее зеркальному отображению несдвинутой части (рис. 3.2). Двойни- кование, подобно скольжению, сопровождается прохождением дис- локаций сквозь кристалл. При деформации двойникованием напряже- ние сдвига выше, чем при скольжении. Металлы, имеющие кубиче- скую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение у них происходит во многих направлениях. Ме- таллы с гексагональной плотноупакованной структурой менее пла- 24 стичны, поэтому труднее поддаются всем способам обработки давле- нием. Рис. 3.2. Пластическая деформация двойникованием: F – усилие; АВ – плоскость перемещения Деформация двойникованием обычно наблюдается при низких температурах и высоких скоростях приложения нагрузки, так как в этих случаях для скольжения необходимо высокое напряжение сдви- га. Двойники более характерны для металлов с ГП-решеткой (Ti, Mg, Zn). В соответствии с дислокационной концепцией процессы сколь- жения и двойникования осуществляются не одновременным сдвигом одной атомной плоскости относительно другой, а последовательным перемещением дислокаций в плоскости сдвига. Благодаря тому что для перемещения дислокаций требуются значительно меньшие уси- лия, чем для жесткого смещения атомных плоскостей, фактическое напряжение сдвига значительно меньше теоретического. 25 Величина напряжения, необходимого для осуществления пласти- ческой деформации, зависит от скорости деформирования и от темпе- ратуры. С увеличением скорости деформирования достижение задан- ной деформации требует больших напряжений, а при повышении температуры значение необходимых напряжений снижается. Таким образом, пластическая деформация является термически активируе- мым процессом. При понижении температуры предел текучести большинства металлов растет. У металлов с ГЦК-решеткой он значи- тельно меньше зависит от температуры, чем у металлов с другими типами решеток. 3.3. Хрупкое и вязкое разрушение Стадия разрушения начала исследоваться сравнительно недавно, когда было установлено, что с момента появления повреждения она может составлять до 90% долговечности конструкции. Необходимость изучения механизма разрушения возрастает в связи с участившимися авариями и катастрофами судов, мостов, ре- зервуаров, летательных аппаратов и других конструкций, обуслов- ленными применением высокопрочных материалов и усложнением условий работы. Разрушение твердого тела представляет собой про- цесс образования субмикроскопических трещин, заканчивающийся разделением тела на части под действием нагрузки, который может сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями. На атомном уровне разрушение представля- ет собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхно- стей. Если разрыв перпендикулярен плоскости разрушения, то проис- ходит разрушение сколом или отрывом (рис. 3.3), если разрыв идет под действием силы, приложенной параллельно плоскости разруше- ния, – разрушение сдвигом или скольжением. В металлах может иметь место и тот и другой вид разрушения, что определяется глав- ным образом их кристаллической структурой. Кроме того, характер разрушения зависит от температуры, скорости деформации, напря- женного состояния, чистоты металла и т.д. В зависимости от степени пластической деформации перед раз- рушением различают два основных его вида: хрупкое и вязкое. При вязком разрушении металл претерпевает не только упругую, но и зна- чительную пластическую деформацию. При отсутствии пластической деформации или при ее незначительном развитии происходит хруп- кое разрушение. 26 Рис. 3.3. Схема разрушения путем отрыва: а – исходное состояние; б – упругая деформация; в – хрупкое разрушение (отрыв) 3.4. Деформация и разрушение металлов Разрушение начинается с какого-либо дефекта, вблизи которого развивается концентрация напряжений, превосходящих критическое значение для данного металла. Концентрация напряжений К пропор- циональна остроте дефекта и его длине: , / 2 r l K где l – длина де- фекта; r – радиус закругления в его вершине. Концентрации напряже- ний способствует образование как внутренних, так и наружных де- фектов надрезов различной остроты и длины (рис. 3.4). У достаточно пластичных металлов, характеризующихся релак- сацией напряжений, местная концентрация напряжений вблизи не- сплошностей оказывается недостаточной и трещины скола не разви- ваются. Вязкое разрушение происходит путем сдвига под действием ка- сательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под уг- лом 45° к направлению главных нормальных напряжений. Большинству реальных материалов одновременно присуще и вязкое, и хрупкое разрушение, а разделение производится условно, в зависимости от преобладания того или иного типа. 27 Рис. 3.4. Концентрация напряжений σ max в устье трещины: а – трещина; б – острый надрез; в – закругленный надрез; r 1 < r 2 < r 3 ; σ ср – средний уровень напряжений При хрупком разрушении затрачивается значительно меньшая работа, чем при вязком. Начавшееся хрупкое разрушение является самопроизвольным процессом, происходит за счет высвобождения накопленной в системе упругой энергии, и поэтому для распростра- нения трещины не требуется подвод энергии извне. При этом энергия, затрачиваемая на образование новых поверхностей в результате рас- крытия трещины, меньше, чем освобождающаяся накопленная упру- гая энергия. При вязком разрушении затрачивается значительно большая работа. Для его развития необходим непрерывный внешний подвод энергии, расходуемой на пластическое деформирование ме- талла впереди растущей трещины и преодоление возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственно разрушения. При хрупком разрушении магистральная разделяющая тело тре- щина имеет малый угол раскрытия (острая трещина), вблизи поверх- ности разрушения происходит микропластическая деформация. При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, и поэтому у большинства металлов при низких темпера- турах разрушение имеет транскристаллитный характер и проходит по 28 зернам, а не по границам между ними. При повышенных температу- рах межзеренные границы обычно слабее зерен, поэтому разрушение носит, как правило, межкристаллитный характер. Микроизлом при хрупком разрушении имеет блестящую гладкую поверхность. Плоские грани расколотых кристаллических зерен при- дают хрупкому излому металлический блеск. Электронно-микроско- пическое исследование обнаруживает плоскости скола и «ручьистое» строение излома, являющееся следствием взаимодействия движущей- ся трещины с дефектами кристалла. Излом при вязком разрушении имеет матовый волокнистый характер без металлического блеска. Электронно-микроскопическое исследование обнаруживает харак- терное «чашечное» строение излома. Для хрупкого разрушения характерна высокая скорость распро- странения трещины, достигающая приблизительно 0,4 скорости рас- пространения звука в металле, а скорость распространения хрупкой трещины для стали составляет около 2×10 3 м/с. Скорость распростра- нения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений. С помощью рассмотренных признаков можно определить харак- тер разрушения детали или конструкции (вязкий или хрупкий меха- низм). Необходимость этого в каждом отдельном случае обусловлена тем, что меры борьбы с вязким и хрупким разрушением принципи- ально различны. В случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. При хрупком разрушении надо, наоборот, уве- личивать вязкость и пластичность, при необходимости даже снижая прочность. Наиболее опасно хрупкое разрушение. Разрушение сколом можно разделить на три фазы: зарождение микротрещины, ее подрас- тание до критического размера и распространение через соседние зерна. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. В относительно чистых металлах – это зарожде- ние и начальное подрастание трещины. В металлах, содержащих включения, первые две стадии протекают сравнительно легко, но за- тем трещина сдерживается границами зерен. В таких металлах она растет и за счет поглощения других микротрещин, а также за счет взаимодействия полей напряжения у ее вершины. При критическом размере трещины концентрация напряжений в ее устье достигает уровня прочности металла и ее дальнейшее распространение проис- ходит лавинно, без заметной пластической деформации и без подвода энергии извне. Факторы, определяющие характер разрушения. В зависимости от условий деформации один и тот же материал может разрушаться 29 по хрупкому или вязкому механизму. На характер разрушения влияют внешние и внутренние факторы. К внешним факторам относятся тем- пература, тип надреза или концентратора напряжений, скорость нагружения, характер окружающей среды, форма и размеры детали. К внутренним факторам, присущим материалу, относятся тип кри- сталлической решетки, химический состав, структура и размер зерна, зависящие от технологии предшествующей обработки. Согласно схе- ме, предложенной А.Ф. Иоффе и Н.Н. Давиденковым (рис. 3.5), смена одного вида разрушения другим определяется соотношением предела текучести σ т и разрушающего напряжения σ отр . Их температурные зависимости имеют различный характер, так как σ т и σ отр не связаны друг с другом. С понижением температуры напряжение трения решетки, а сле- довательно, и предел текучести резко возрастают. В первом прибли- жении разрушающее напряжение является температурно независи- мым. В процессе нагружения при определенной температуре напря- жение может раньше достичь величины либо σ т , либо σ отр . Если раньше будет достигнуто σ т , то произойдет пластическая деформация, которая при дальнейшем росте напряжений приведет к разрушению, если σ отр , то произойдет хрупкое разрушение. Точка пересечения т и σ отр делит схему Иоффе–Давиденкова на две температурные области: левее этой точки располагается область хрупких разрушений матери- ала (σ отр < σ т ), правее – вязких (σ отр > σ т ). Температуру, при которой предел текучести становится равным разрушающему напряжению, называют температурой вязко-хрупкого перехода или критической температурой хрупкости и обозначают Т кр Рис. 3.5. Схема вязко-хрупкого перехода по Иоффе–Давиден- кову: 1 – разрушающее напря- жение; 2 – напряжение течения; Т кр – критическая температура хрупкости 30 Способность материала хрупко разрушаться с понижением тем- пературы называется хладноломкостью, которая зависит также от многих факторов. Основная ее характеристика – критическая темпе- ратура хрупкости, с помощью которой оценивают и сопротивление материала хрупкому разрушению. Критическая температура хрупкости не является константой и определяется целым рядом факторов. Трещины хладноломкости обычно начинаются с надрезов, являющихся концентраторами напряжений. К ним относятся дефекты сварных соединений (пори- стость, непровары, пустоты по сечению шва), поверхностные царапи- ны, неметаллические включения, газовые раковины, а также техноло- гические отверстия и резкие переходы сечений в детали. Надрезы со- здают в металле сложное напряженное состояние, стесненность пла- стической деформации и концентрацию напряжений (см. рис. 3.4). Сложное напряженное состояние проявляется в том, что под действи- ем растягивающих сил напряжения возникают не только в продоль- ном, но и в поперечном направлении. Стесненность пластической деформации приводит к увеличению сопротивления ей, т.е. к росту т . Чем острее и глубже надрез, тем более стеснена пластическая деформация, тем выше т . Под влияни- ем надрезов металл разрушается хрупко при более высокой темпера- туре. Чувствительность к надрезу и трещине относится к числу важ- нейших характеристик работоспособности металла, она растет с по- вышением прочности, с увеличением скорости нагружения и пониже- нием температуры металла. Окружающая среда может влиять на изменение поверхностной энергии разрушения материала и оказывать коррозионное воздей- ствие. Кроме того, в среде, содержащей водород, происходит водо- родное охрупчивание металлов. Чем больше сечение образца, тем больше стесненность пластиче- ской деформации. В результате повышается предел текучести и воз- растает вероятность появления опасных дефектов. На ослабление се- чения с увеличением размера накладывается действие металлургиче- ских факторов из-за большего развития ликвации, пористости, разли- чия в размерах зерен, меньшей степени проработки структуры при ковке, прокатке или термической обработке. Склонность к хрупкому разрушению при низких температурах зависит от кристаллической структуры металла. Металлы с кристал- 31 лической решеткой объемно-центрированного куба (стали на ос- нове Fe , вольфрам, хром, молибден и др.), а также некоторые металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой (цинк, кад- мий, магний) относятся к хладноломким материалам. Чистый титан имеет решетку ГП, но сохраняет пластичность и при низких темпера- турах. Металлы с решеткой гранецентрированного куба (аустенитные стали на основе Fe γ , медь, алюминий, никель) не склонны к хладно- ломкости. Размер зерна металла имеет важное значение для предела текуче- сти, сопротивления хрупкому разрушению и температуры вязко- хрупкого перехода. Измельчение зерна существенно понижает крити- ческую температуру хрупкости. Процесс течения металла зависит от среднего расстояния, на ко- торое перемещаются дислокации, прежде чем они будут заблокиро- ваны у границ зерен. У мелкозернистых образцов предел текучести меньше разрушающего напряжения. Чем мельче зерно, тем больше т отр . Если размер зерен больше d кp , то в данных условиях испытания (температуры, скорости и др.) будет иметь место хруп- кое разрушение. Изменяя технологию выплавки и разливки, пласти- ческой деформации и термической обработки, можно влиять на раз- мер зерна и тем самым управлять свойствами металла и его хладо- стойкостью. 3.5. Наклеп и рекристаллизация После снятия нагрузки, превышающей предел текучести, в об- разце останется остаточная деформация. При повторном нагружении возрастает предел текучести металла и уменьшается способность к пластической деформации, т.е. происходит его упрочнение. Упрочне- ние металла под действием пластической деформации называется наклепом. Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения формы и размеров кристаллитов, их кристаллографиче- ской пространственной ориентировки, внутреннего строения каждого кристаллита. Зерна деформируются и сплющиваются, вытягиваясь в направлении действующих сил Р, образуя волокнистую или слоистую структуру (рис. 3.6). 32 Рис. 3.6. Изменение формы зерен в результате деформации: а – до, б – после деформации Малый размер пачек скольжения создает ровную границу дефор- мированного зерна (на рис 3.6, б показана штриховой линией). Пре- имущественная кристаллографическая ориентировка зерен вдоль направления деформации называется текстурой металла. Чем больше степень деформации % 100 H h H , тем большая часть зерен полу- чает преимущественную ориенти- ровку. Образование текстуры спо- собствует появлению анизотропии свойств вдоль и поперек направле- ния волокон. С ростом степени де- формации механические свойства (σ в , σ т , НB), характеризующие со- противление деформации, повы- шаются, происходит деформацион- ное упрочнение, а способность к пластической деформации ( , Ψ) падает (рис. 3.7). Предел текучести растет более интенсивно, чем вре- менное сопротивление, и по мере деформации значения обеих харак- теристик сближаются. В результате наклепа механические свойства меняются весьма существенно: например, при степени деформации = 70% среднеуглеродистой стали ее временное сопротивление σ в увеличивается примерно в два раза, а относительное удлинение а) б) Рис. 3.7. Влияние степени пла- стической деформации на меха- нические свойства низкоугле- родистой стали 33 уменьшается с 30% до 2%. Стальная проволока, полученная холод- ным волочением при степени 80…90%, приобретает значение σ в = 4000 МПа, что не достигается легированием и термической обра- боткой. Упрочнение при наклепе объясняется существенным повышени- ем плотности дислокаций, характерным для процесса пластической деформации, достигая 10 11 …10 12 см –2 , увеличивается и количество точечных несовершенств – вакансий и дислоцированных атомов. С ростом плотности дислокаций и несовершенств, деформации зерен и дробления блоков затрудняется свободное перемещение дислока- ций, что способствуют упрочнению металла при наклепе. В результате пластической деформации существенно изменяются физико-механические свойства металлов. Наклепанный металл имеет меньшую плотность, более высокое электросопротивление и коэрци- тивную силу, меньшую теплопроводность; у него падает устойчивость против коррозии. Металлы с ГЦК-решеткой при наклепе упрочняются более сильно, чем с ОЦК-решеткой. Рост числа дефектов кристаллического строения и остаточных напряжений в результате пластической деформации приводит металл в термодинамически неустойчивое состояние. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата и рекристаллизации. Де- формированный металл анизотропен. При нагреве до сравнительно невысоких температур (ниже 0,2…0,3 Т пл ) начинается процесс возврата, под которым понимают совокупность самопроизвольных процессов, заключающихся в умень- шении микронапряжений, перераспределении дефектов кристалличе- ского строения без значительного уменьшения их числа. При этом не наблюдается видимых изменений микроструктуры по сравнению с деформированным состоянием. Процесс возврата может сопровож- даться полигонизацией, под которой понимают дробление (фрагмен- тацию) кристаллитов на субзерна (полигоны) с малоугловыми грани- цами. Фрагментация происходит вследствие того, что при нагреве самодиффузия ускоряется, дислокации одного знака перегруппиро- вываются в дислокационные стенки с образованием ячеистой струк- туры. В зернах поликристалла образуются субграницы, разделяющие субзерна (полигоны), свободные от дислокаций. Укрупнение субзерен с увеличением длительности выдержки или повышением температуры нагрева металла приводит к дальнейшему снижению прочности. При дальнейшем нагреве микроструктура наклепанного металла изменяется, подвижность атомов растет и об- разуются новые зерна вместо ориентированной волокнистой структу- 34 ры. Образование и рост новых равноосных зерен за счет деформиро- ванных зерен той же фазы называется рекристаллизацией. Процесс рекристаллизации протекает в две стадии. Различают пер- вичную, или рекристаллизацию обработки, и собирательную рекри- сталлизацию. Новые зерна возникают на границах блоков и старых зе- рен, т.е. там, где решетка наиболее искажена при наклепе. Первичная рекристаллизация термодинамически выгодна, так как при переходе деформированного металла в более устойчивое равновесное состояние свободная энергия уменьшается. В результате первичной рекристалли- зации наклеп металла снимается и свойства приближаются к исходным значениям. Плотность дислокаций также уменьшается до первоначаль- ного уровня. Температуру начала рекристаллизации называют темпе- ратурным порогом рекристаллизации. Она зависит от температуры плавления (правило академика А.А. Бочвара): Т рекр = Т пл , где – ко- эффициент, зависящий от состава и структуры металла. Для технически чистых металлов = 0,3...0,4, для сплавов 0,5...0,6. Причина такой зависимости в том, что оба процесса (плавле- ние и рекристаллизация) связаны с изменением взаимного располо- жения атомов и для их развития необходима определенная диффузи- онная подвижность атомов. Соотношение уровней диффузионной подвижности при плавлении и рекристаллизации примерно постоян- но, вследствие чего примерно постоянно соотношение температур обоих процессов. В сплавах примеси взаимодействуют с дислокация- ми и ограничивают их подвижность, что затрудняет образование за- родышей новых зерен и тормозит рекристаллизацию. Поэтому темпе- ратура рекристаллизации у сплавов выше, чем у чистых металлов. Последующий рост температуры приводит ко второй стадии про- цесса – собирательной рекристаллизации, состоящей в росте вновь образовавшихся новых зерен. Большое число мелких зерен имеет большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая поверхность их границ уменьшается, что способствует переходу ме- талла в более равновесное состояние. Движущей силой собиратель- ной рекристаллизации является снижение поверхностной энергии (рис. 3.8). Размер зерен, образовавшихся в процессе рекристаллиза- ции, оказывает большое влияние на свойства металла: с укрупнением зерен снижаются его механические свойства. Величина зерна при со- бирательной рекристаллизации зависит от температуры нагрева, сте- пени предшествующей пластической деформации и в меньшей степе- ни от длительности выдержки при нагреве. Наиболее крупные зерна образуются при небольшой предварительной деформации (до 15%), которую называют критической. При малых степенях деформации 35 имеет место неоднородность наклепа, а следовательно, неоднород- ность дефектов решетки и напряжений, что способствует укрупнению недеформированных зерен за счет деформированных. Влияние температуры и степени деформации на размер зерна определяют по диаграммам рекристаллизации (рис. 3.9). С их помо- щью можно в первом приближении выбрать степень деформации и температуру рекристаллизационного отжига, при которых исключа- ется вероятность сильного роста зерен металла. Для уточнения темпе- ратуры отжига необходимо учитывать содержание примесей в метал- ле, величину зерна до деформации, скорость нагрева, длительность выдержки и другие факторы. Рис. 3.9. Диаграмма рекристаллизации железа Рис. 3.8. Схема изменения структуры и свойств деформированного метал- ла при нагреве: 1–2 – возврат; Т пр – температурный порог рекристалли- зации; 2–3, 3–4 – первичная кристал- лизация; начиная с температуры Т 1 – собирательная рекристаллизация |