4.2.3. Усталостные испытания
Усталость представляет собой процесс постепенного накопления повреждений в металле под действием переменных напряжений, при- водящих к образованию и развитию усталостных трещин. Из-за раз- личной ориентировки зерен и блоков, макро- и микродефектов напряжения в металле распределяются неравномерно. При расчетной нагрузке ниже предела текучести в отдельных перенапряженных ло- кальных объемах происходит пластическая деформация и, как след- ствие ее предельного развития, возникают микротрещины, которые постепенно сливаются, образуя макротрещину, с течением времени распространяющуюся на все сечение.
Усталостные характеристики при комнатной температуре обычно определяют при испытании образцов круглого сечения на изгиб с вращением. Испытывают серию образцов при различной нагрузке и
48 определяют разрушающее напряжение и соответствующее ему число циклов нагружения (ГОСТ 25.502–79).
Максимальным σ
mах или минимальным σ
min напряжением цикла является наибольшее или наименьшее по алгебраической величине напряжение. Характеристикой цикла служит коэффициент асиммет- рии:
R = σ
min
/σ
maх
. При равенстве максимального и минимального напряжений по абсолютной величине
R = –1. В этом случае цикл яв- ляется симметричным, а предел выносливости, характеризующий со- противление усталости, обозначают σ
–1
. В зависимости от условий работы изделия испытания проводят при комнатной, высокой и низ- кой температурах, при симметричных и асимметричных циклах, при наличии или отсутствии агрессивных сред и концентраторов напря- жений на испытуемых образцах.
При испытании строят кривую усталости – график, характеризу- ющий зависимость между максимальными или амплитудными напряжениями (деформации) цикла и долговечностью серии одинако- вых образцов, испытанных при одинаковом среднем напряжении (де- формации) цикла или при одинаковом коэффициенте асимметрии цикла (рис. 4.5). Переход кривой усталости в горизонталь наблюдает- ся на сталях после 10 7
циклов, на цветных металлах – после 10 8 цик- лов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению
σ
max
, является физическим пределом выносливости (обозначается σ
R).
Разрушение материала при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках. При циклическом нагружении начало пла- стической деформации,
обусловленное движением дислокаций, мо- жет иметь место при напряжениях меньше предела текучести. При увеличении числа циклов нагружения растет число дислокаций прежде всего в поверхностных слоях.
Рис. 4.5. Кривые усталости:
1 – сталь;
2 – цветные металлы, не имеющие горизонтального участка на кривой усталости
49
Концентраторы напряжений в большей или меньшей степени снижают предел выносливости при одном и том же уровне перемен- ных напряжений.
5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ
5.1. Характеристика основных фаз металлических сплавов
Чистые металлы имеют невысокие механические и функциональ- ные свойства, что и ограничивает их применение. Сплавами называют сложные вещества, полученные сплавлением или спеканием несколь- ких элементов (компонентов).
Компонентами металлических сплавов могут быть не только ме- таллы, но и химические соединения и неметаллы. В зависимости от числа компонентов сплавы могут быть двойными, тройными и т.д.
В результате физико-химического взаимодействия компонентов обра- зуются фазы, зависящие от химического состава сплава, технологии производства и обработки. Количество и тип фаз характеризуют со- стояние сплава.
В зависимости от числа фаз сплавы могут быть одно-, двух- и многофазными. В жидком состоянии компоненты сплава обычно не- ограниченно растворяются друг в друге, образуя жидкие растворы.
В твердом состоянии компоненты могут образовывать: 1) механиче- ские смеси, представляющие собой смесь двух или нескольких фаз;
2) химические соединения, когда компоненты вступают в химическое взаимодействие; 3) твердые растворы, когда один компонент раство- ряется в другом, который называется растворителем.
Механические смеси. Если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не растворяются друг в дру- ге и не взаимодействуют, то образуется механическая смесь (напри- мер, Pb–Sb, А1–Si и др.). При образовании механической смеси каж- дый компонент сохраняет свой тип кристаллической решетки и при- сущие ему свойства.
Химические соединения. Компоненты в сплаве могут взаимо- действовать друг с другом с образованием химических соединений.
По структуре они представляют собой однородные твердые тела.
Свойства химических соединений значительно отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления (диссоциации) и кристаллическую решетку, отличающую- ся от решеток исходных элементов. В химическом соединении сохра-
50 няется
определенное соотношение атомов элементов, позволяющее выразить их состав стехиометрической пропорцией в виде простой формулы:
АnВm, где
А и
В – соответствующие элементы,
n и
m – про- стые числа. Составы этих соединений на диаграммах «состав–свой- ство» характеризуются особыми сингулярными точками.
Различают химические соединения двух типов: металл–неметалл и металл–металл. Химические соединения металлов с неметаллами в структуре сплавов находятся в виде неметаллических включений сульфидов, оксидов, фосфидов и т.д., например оксид марганца МnО,
SiO
2
и др.
Если химические соединения не диссоциируют до температуры плавления, то их принято рассматривать в качестве самостоятельных компонентов.
Твердые растворы. Твердыми растворами называют фазы, в ко- торых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристал- лическую решетку, а атомы других (растворённых) компонентов рас- полагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает несколько элементов, а металлографический и рентгено-структурный – однородные зерна и один тип решетки – ме- талла-растворителя. Различают твердые растворы замещения и внед- рения. Твердый раствор замещения образуется замещением части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами раство- ренного компонента (рис. 5.1,
а). Атомы растворенного элемента обычно не занимают особых мест в кристаллической решетке, а толь- ко замещают в некоторых узлах атомы растворителя. Такое размеще- ние называют неупорядоченным. Оно образуется в тех случаях, когда полностью отсутствует взаимодействие элементов. Если же атомы разных элементов твердого раствора взаимодействуют между собой несколько сильнее, чем однородные атомы, то они стремятся распо- ложиться в определенном порядке. Атомы растворителя и растворен- ного элемента располагаются на разных кристаллографических плос- костях. Например, в системе Аu–Сu после медленного охлаждения расплава одни кристаллографические плоскости состоят целиком из атомов меди, а другие – из атомов золота. Такие твердые растворы называют упорядоченными.
51
Рис. 5.1. Кристаллическая решетка ГЦК твердого раствора замещения (
а) и внедрения (
б)
В связи с различием в размерах атомов при замещении атомов одного компонента атомами другого происходит искажение кристал- лической решетки. Это искажение тем больше, чем больше разница в размерах атомов и строении их кристаллических решеток. При чрез- мерном искажении решетки дальнейшая растворимость становится невозможной. Наступает предельная растворимость, при которой до- полнительно вводимые атомы не могут войти в решетку и образуют самостоятельную фазу. Если же оба компонента имеют однотипные кристаллические решетки, а атомные диаметры различаются не более чем на 8…15%, то возможна неограниченная растворимость.
Неограниченно растворяются в твердом состоянии такие металлы с ГЦК-решеткой, имеющие небольшую разницу в атомных размерах, как Ag и Аu, Ni и Сu и др., а также металлы с ОЦК-решеткой: V и Ti.
Металлы с большим атомным диаметром (Na, Ca, РЬ) в Fe, Cu, Ni не- растворимы. Предельная растворимость зависит также от различия в строении валентных оболочек электронов.
Твердый раствор внедрения образуется путем внедрения атомов растворенного компонента в междоузлия (пустоты) кристаллической решетки (рис. 5.1,
б). В решетке ГЦК такая пустота находится в цен- тре куба и образует сферу диаметром 0,4
D, где
D – диаметр атомов растворителя. В решетке ОЦК пустота находится в центре грани и образует сферу диаметром 0,29
D. Образование твердых растворов внедрения, как правило, сопровождается увеличением параметров кристаллической решетки и ее искажением. Твердый раствор внедре- ния
характерен для сплавов металлов с элементами, имеющими ма- лые атомные диаметры (С, В, N, H, О). Концентрация второго компо- нента в твердом растворе внедрения обычно невысока и всегда ниже,
52 чем в твердых растворах замещения и химических соединениях этих элементов. В отличие от химических соединений твердые растворы внедрения имеют кристаллическую решетку металла-растворителя.
5.2. Структура сплавов
На свойства сплавов влияют величина, форма, кристаллографи- ческая ориентация и взаимное расположение фаз в объеме. Границы раздела отличаются от примыкающих к ним микрообластей по струк- туре, а часто и по химическому составу.
Однофазные микрообласти могут иметь локальные изменения химического состава. Кроме того, каждая из них содержит дефекты кристаллической решетки – вакансии и дислокации. Размер субзерен и блоков, искажения решетки существенно влияют на ход превраще- ний и свойства сплавов и поэтому должны учитываться при характе- ристике их структуры.
Анализ структур проводят на основе изучения геометрических параметров распределения отдельных фаз или зерен, определяя их размеры, форму и ориентировку. В условиях равновесия относитель- ное содержание каждой фазы, образовавшейся в результате превра- щения, определяется первоначальным составом сплава. Однако пол- ностью равновесное состояние достигается далеко не всегда; более того, в ряде случаев оно может быть нежелательным. Фактическое количество фаз зависит от режима обработки.
Частицы второй фазы могут иметь различную форму: равноос- ную, пластинчатую или волокнистую. Получить на практике любую выбранную форму достаточно сложно, но в ряде случаев возможен выбор двух из этих трех структур.
Такие свойства, как плотность и теплоемкость, зависят только от количества присутствующих фаз и не зависят от их геометрии. Не- смотря на различие геометрии фаз две стали, структура которых пока- зана на рис. 5.2, имеют одинаковую плотность, так как содержат рав- ные относительные количества феррита и цементита.
53
Рис. 5.2. Форма фазовых составляющих структуры (цементит и феррит):
а – пластинчатый перлит, х2500;
б – зернистый перлит, х1000.
В обоих случаях содержание углерода равно 0,8 % (масса)
Однако большинство свойств материалов определяется геометри- ей их структуры. Пластинчатый перлит имеет более высокие твер- дость и прочность, но меньшие пластичность, вязкость и теплопро- водность по сравнению с зернистым. В зернистом перлите трещина не может распространяться на значительное расстояние по хрупкому цементиту, не
попадая при этом в феррит, характеризующийся боль- шей вязкостью.
Степень дисперсности фаз, их форма и взаимное расположение существенно влияют на механические свойства: твердость, прочность и пластичность. Сталь с дисперсными, равномерно распределенными выделениями цементита в феррите имеет бóльшую твердость и проч- ность, чем сталь того же состава, но с более грубой фазовой структу- рой. Добавка в бетон стального волокна (проволоки диаметр 1 мм,
L = 30 мм) в количестве 40…150 кг/м
3
повышает σ
изг в два–три раза;
σ
в
– на 40%, удельную прочность – в 8–12 раз, уменьшает истирание до двух раз.
Большое влияние на механические свойства материалов оказыва- ет пористость структуры, имеющаяся в отливках, порошковых мате- риалах, керамике. Пористость является местом концентрации напря- жений, уровень которых может превысить прочность материала.
5.3. Факторы, определяющие прочность металлов Способность материалов сопротивляться пластической деформа- ции и разрушению под действием внешней нагрузки называют проч- ностью. Повышение прочности сплавов позволяет не только увели-
54 чить рабочий ресурс деталей и конструкций, но и уменьшить их сече- ние и расход металла. Однако только одна высокая прочность, без необходимого комплекса таких механических свойств, как вязкость, пластичность и трещиностойкость, не обеспечивает надежность кон- струкций. В ряде случаев высокопрочное состояние металла при низ- кой пластичности может оказывать отрицательное действие из-за по- вышенной хрупкости.
Наряду с высокой прочностью и пластичностью конструкцион- ные материалы должны обладать высоким сопротивлением ударным нагрузкам и запасом вязкости, при знакопеременных нагрузках высо- ким сопротивлением усталости, при трении – износу, во многих слу- чаях – коррозии. Так как в деталях всегда имеются дефекты, являю- щиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распространению трещин. Поэтому надежность материала в кон- струкции принято
характеризовать конструкционной прочностью, под которой понимают не отдельно взятые прочностные характери- стики, а комплекс механических свойств, в том числе параметры вяз- кости разрушения, определяющие эксплуатационные возможности изделия.
Помимо высокой конструкционной прочности, конструкционные материалы должны иметь хорошие литейные свойства, обрабатывае- мость давлением, резанием, свариваемость, быть дешевыми и неде- фицитными. Из всех конструкционных материалов, применяемых в настоящее время и прогнозируемых в будущем, этим часто противо- речивым требованиям в наибольшей степени отвечают стали. Только сталь позволяет получать сочетание высоких механических характе- ристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости. Поэтому она и в настоящее время и в обозримом будущем останется основным и наиболее распространенным конструкционным материалом.
Для большинства конструкционных сталей важнейшими (но не единственными) параметрами конструкционной прочности являются предел текучести
т
, порог хладноломкости или температура вязко- хрупкого перехода
Тхр
, уровень ударной вязкости KCU, KCV, КСТ и коэффициент интенсивности напряжений
К1с
Механизмы упрочнения. Высокопрочное состояние в сталях можно получить увеличением содержания углерода, но при этом снижаются пластичность и вязкость, ухудшается свариваемость. Из- вестно, что углерод образует с железом твердые растворы внедрения
55 и является эффективным упрочнителем. Однако его растворимость в феррите невелика, что приводит к снижению упрочняющего эффекта.
Образующиеся довольно крупные частицы цементитного типа в ферритной матрице более тверды и хрупки, чем сама матрица. Поэто- му при нагружении на поверхности раздела
создается объемно- напряженное состояние, которое может приводить к образованию микротрещин. Повышение сопротивления деформации и высокопроч- ное состояние могут быть достигнуты созданием цепи препятствий движению дислокаций.
К основным механизмам упрочнения сталей относятся измельче- ние зерна, образование твердых растворов, выделение частиц второй фазы, превращения при термообработке и увеличение плотности дис- локации. Экспериментальные исследования показали, что для боль- шинства сталей действует принцип линейной аддитивности отдель- ных механизмов упрочнения, т.е. вклады отдельных механизмов в общее упрочнение суммируются: з
ду д
тр
0
т
, где
0
– сопротивление кристаллической решетки движению дисло- кации; тр
– твердорастворное упрочнение; д
– дислокационное упрочнение; ду
– упрочнение дисперсными частицами второй фа- зы, образовавшимися при распаде пересыщенного твердого раствора, или дисперсионное упрочнение; з
– упрочнение границами зерен и субзерен, или зернограничное упрочнение.
Напряжение трения решетки определяется ее свойствами и сопо- ставимо с напряжением, которое должно быть преодолено дислока- циями при их движении в очень крупных зернах, или с пределом те- кучести монокристаллов чистых металлов. Напряжение трения воз- растает с понижением температуры и увеличением скорости дефор- мации. При температуре выше комнатной напряжение трения сохра- няет значения, не зависящие от температуры. Экспериментально найденные значения
0
при комнатной температуре для
-железа особо высокой чистоты [<10 – 7% (С + N)] составляют 18…21 МПа.
Примеси внедрения и дефекты кристаллического строения суще- ственно влияют на
0
. С учетом примесей внедрения в количестве [С
+ N] 10
–2
% и дефектов строения
0
технически чистого железа со- ставляет около 30 МПа, а для сплавов на основе никеля и легирован- ных аустенитных сталей 60…70 МПа.
56
Твердорастворное упрочнение. Твердорастворное упрочнение
связано с различием атомных диаметров растворителя и легиру- ющих элементов.
Атомы легирующих элементов, располагаясь вбли- зи дислокаций, способствуют их закреплению или оказывают сопро- тивление их перемещению. Атомы растворенного компонента обра- зуют более прочную металлическую связь с атомами компонента рас- творителя, чем в решетках обоих чистых компонентов. Из-за этого сопротивление пластической деформации твердого раствора должно изменяться по некоторому криволинейному закону. Характер хода кривой с максимумом станет понятным, если учесть, что состав, соот- ветствующий максимуму, является критическим, поскольку роли компонентов как растворителей, так и растворимых меняются на про- тивоположные. Твердорастворное упрочнение особенно эффективно при введении элементов внедрения, что объясняется искажением кри- сталлической решетки и сильным взаимодействием их атомов с дис- локациями, но они отрицательно влияют на пластичность и вязкость сталей.
Скачать 3.27 Mb.