16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
1.4. Дефекты строения кристаллов 1.4.1. Точечные дефекты Реальные кристаллы, в отличие от идеальных, имеют большое количество дефектов, оказывающих существенное влияние на свойства металлов. Наиболее распространенными дефектами являются точечные, линейные и поверхностные. Атомы в узлах решетки колеблются с определенной амплитудой, которая тем больше, чем выше температура. Несмотря на то, что большинство атомов обладают средней энергией и колеблются приданной температуре практически с одинаковой амплитудой, некоторые из них имеют амплитуду не только больше средней, но и могут менять свое положение, те. переходить из узла в междоузлие, из поверхностного слоя выходить на поверхность кристалла и т. д. Атом, вышедший из узла решетки в междоузлие (рис. 5), называется дислоцированным, а незаполненное место, где он находился, вакансией. Через некоторое время вакансия заполняется одним из атомов из соседнего слоя, а незаполненный узел становится вакансией. Следовательно, вакансия перемещается по объему кристалла. Атомы других элементов, находящиеся как в узлах, таки в междоузлиях решетки называются примесными. Вакансии и дислоцированные атомы имеются в кристаллах при любой температуре. Каждой температуре выше абсолютного нуля соответствует равновесная концентрация вакансий и дислоцированных атомов, причем она резко повышается при нагреве (особенно вблизи температуры плавления. 15 б в а Рис. 5. Точечные дефекты кристаллической решетки а – вакансия б – дислоцированный атом в – примесной атом Точечные дефекты искажают кристаллическую решетку и, тем самым, влияют на физические свойства металла. 1.4.2. Линейные дефекты К линейным дефектам относятся дислокации, которые подразделяются на краевые и винтовые. На риса, б показан участок кристаллической решетки, имеющий одну лишнюю полуплоскость АВ, называемую экстраплоскостью. Линия, проходящая через точку А перпендикулярно направлению сдвига, называется краевой дислокацией. Она является краем экстрап- лоскости. Если экстраплоскость находится в верхней части кристалла, то дислокация называется положительной и обозначается знакома если в нижней, то отрицательной и обозначается ┬ (рис. 6, в. Такое различие является условным. Если повернуть кристалл на 180 положительная дислокация превращается в отрицательную. Знак дислокации дает возможность определить результаты их взаимодействия дислокации одного знака отталкиваются, а противоположного притягиваются. Помимо краевых, в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации (см. рис. 6, г. Винтовые дислокации получаются частичным сдвигом атомных слоев по плоскости Q. Кристалл как бы закручивается винтом вокруг линии EF, которая является линией дислокации. Выше линии дислокации решетка сжата, а ниже растянута. Винтовая дислокация, образованная вращением почасовой стрелке, называется правой, а против часовой – левой. Дислокации притягивают в свою зону атомы примесей, которые осаждаются вдоль края экстраплоскости. Теория дислокаций дает объяснение большому расхождению между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность должна соответствовать произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Однако реальное усилие для 16 смещения одной части кристалла относительно другой оказывается на 2…3 порядка ниже расчетного. Это вызвано тем, что деформация происходит не смещением целых атомных плоскостей, аза счет постепенного перемещения дислокаций в плоскости сдвига. При движении дислокации по направлению сдвига происходит смещение верхней и нижней части кристалла на одно межатомное расстояние, что требует значительно меньших усилий, чем для полного смещения одной части относительно другой. В результате перемещения дислокация выходит на поверхность кристалла и исчезает, а на поверхности остается ступенька скольжения F–E (см. риса. A B F b A B C D E F b a Q P M M P Q б в F Q D A F C E E B Сила г Рис. 6. Дислокации а, б, в – краевые г – винтовая Дислокации и другие дефекты кристалла оказывают существенное влияние на прочность металла. При отсутствии дислокаций прочность кристалла резко возрастает (рис. 7). При ограниченной плотности дислокаций и других дефектов решетки прочность будет тем меньше, чем больше дислокаций находится в данном объеме металла. Плотность дислокаций увеличивается при возрастании приложенных напряжений. Дислокации возникают в разных направлениях, воздействуют друг на друга, взаимно уничтожаются и т. д. Поэтому их движение становится все более затрудненным, что требует большей нагрузки для продолжения деформации. 17 В итоге металл упрочняется см. рис. 7, правая ветвь кривой. Упрочняют металл атомы растворенных в металле примесей и легирующих элементов, частицы второй фазы, границы зерен и др, которые препятствуют перемещению дислокаций. Свободному перемещению дислокаций способствуют также наклеп, снижение температуры, термообработка. Следовательно, повысить прочность металла можно либо созданием идеальной кристаллической решетки (в которой отсутствуют дефекты, либо увеличением числа дефектов, препятствующих движению дислокаций. 1.4.3. Поверхностные дефекты Металл состоит из множества мелких кристаллов, те. имеет поликристаллическое строение. Границы между зернами представляют собой узкую переходную зону шириной 5…15 атомных расстояний (риса. Граница Зерно Зерно I а б Рис. 8. Схема строения границы между зернами а – высокоугло- вая граница б – граница между блоками (малоугловая граница – угол разориентировки соседних блоков В свою очередь зерно не является монолитным, а содержит большое количество частей, разорентированных относительно друг друга на небольшие (не более 5 ) углы. Такие части (размером 0,1…1,0 мкм) называются субзернами (см. рис. 8, б, а структура металла – блочной или мозаичной. На границах зерен и блоков вследствие их разорентировки происходит скопление дислокаций и различных примесей, что оказывает существенное влияние на механические свойства металла. Теоретическая прочность Прочность усов Фактическая прочность металлов Металлы упрочненные Чистые металлы Плотность дислокаций и других искажений П ро чн ос т ь Рис. 7. Влияние искажений кристаллической решетки на прочность металла 18 1.5. Диффузия в металлах и сплавах Как отмечалось ранее, атомы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, непрерывно колеблются около положения равновесия. Некоторые из них приобретают столь большую энергию, что уходят со своего места в межузельное пространство, меняются местами со своими соседями, занимают находящиеся рядом вакансии и т. д. Такое перемещение атомов носит общее название – диффузия. Различают самодиффузию и гетеродиффузию. Самодиффузия – это процесс перемещения атомов, несвязанный с изменением концентрации компонентов в отдельных объемах. Гетеродиффузия сопровождается изменением концентрации. Как правило, она происходит в сплавах с повышенным содержанием примесей. Имеется несколько механизмов диффузии обменный, циклический, вакансионный, межузельный и др. При обменном механизме два соседних атома обмениваются местами (риса. При циклическом механизме диффузия протекает совместным перемещением группы атомов (рис. 9, б. Для металлов наиболее вероятным является вакансионный механизм диффузии (рис. 9, в, при котором вакансии кристаллической решетки занимаются расположенными рядом атомами. 1 2 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 а б в г Рис. 9. Механизмы диффузии атомов а – обменный б – циклический в – вакансионный г – межузельный При межузельном механизме диффузии (см. рис. 9, г) наблюдается переход атома из одного межузлия в соседнее. Такой механизм характерен для компонентов с малым атомным радиусом. Например, диффузия атомов углерода, азота, водорода в железоуглеродистых сплавах. Наиболее легко диффузия протекает по границами на поверхности зерен, где сконцентрированы дефекты кристаллического строения. Существенно увеличивает скорость диффузии повышение температуры. Так при повышении температуры, начиная от комнатной, на каждые 10–15 С коэффициент диффузии возрастает примерно в два раза. 19 1.6. Деформации и механические свойства металлов В процессе эксплуатации металлические изделия подвергаются различным видам нагрузок статическим, динамическим, переменным, растягивающим, сжимающим, изгибающим, скручивающим, срезывающим, сосредоточенным, распределенным, сплошными др. Под влиянием внешних нагрузок и различных внутренних физико- механических процессов в металле между частицами возникают внутренние силы (силы упругости, которые оказывают сопротивление деформации. Значения внутренних сил упругости измеряются напряжениями. Последние зависят от значений приложенных к изделию усилий. Прочность детали будет обеспечена в том случае, когда действительные напряжения будут меньше или равны допускаемым. Напряжения могут возникать под действием внешней нагрузки и исчезать после ее снятия или же внутренние, возникающие и уравновешивающиеся бездействия внешних сил. Внутренние напряжения оказывают значительное влияние на свойства металлов и протекающие в них превращения. Появление внутренних напряжений связано, как правило, с неравномерным распределением деформаций по объему изделия. Так при быстром нагреве или охлаждении из-за неодинакового расширения сжатия) поверхностных и внутренних слоев появляются тепловые напряжения. Фазовые или структурные напряжения возникают в процессе кристаллизации, при термической обработке вследствие структурных превращений и т. д. Внутренние напряжения подразделяются на напряжения города, возникающие в объеме всего изделия города, возникающие в объеме одного зерна (кристаллита города, возникающие в объемах кристаллической ячейки (субмикроскопические. Силы, приложенные к изделию, вызывают деформацию металла. Деформация – это изменение геометрии изделия под действием внешних сил, при изменении температуры, влажности, фазовых превращений и др. Существует два основных вида деформаций – упругие (обратимые) и пластические. Упругие деформации возникают в том случае, когда под действием приложенных сил происходит незначительное (риса) смещение атомов (менее межатомного расстояния. При подобном смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения или отталкивания. Поэтому, после снятия нагрузки, смещенные атомы возвращаются в исходное равновесное положение и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры, те. влияние упругой деформации на 20 форму, структуру и свойства изделия полностью аннулируется после прекращения действия нагрузки. Пластическая (остаточная) деформация после снятия нагрузки остается, так как связана с перемещением атомов внутри кристаллов на относительно большие расстояния. Она вызывает остаточные изменения формы, структуры и свойств металла без макроскопических нарушений сплошности. Пластическая деформация может осуществляться скольжением или двойникованием. При деформации скольжением (см. рис. 10, б) отдельные части кристалла смещаются относительно друг друга под действием касательных напряжений , достигающих определенной критической величины. При деформации двойникованием (см. рис. 10, в) происходит перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к недеформируемой части относительно плоскости А–А, называемой плоскостью двойникования. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла, при этом изменение формы изделия происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При значительных деформациях, вследствие скольжения, зерна кристаллы) меняют свою форму из округлой в вытянутую, образуя, так называемую волокнистую структуры. Под воздействием возрастания напряжения до определенного значения, возникает такая остаточная деформация, при которой появляются трещины, а затем и полное разрушение изделия. От напряжений и способности сопротивляться деформациям в большой степени зависят механические свойства металлов. К основным механическим свойствам относятся прочность сопротивляемость металла деформациями разрушению упругость способность металла восстанавливать свою форму и объем после прекращения воздействия причин, вызывающих деформацию пластичность способность металла под действием внешних сил изменять не разрушаясь) свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после устранения этих сил твердость сопротивление металла проникновению в него более твердого тела ударная вязкость способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок износостойкость способность металла истираться от действия сил трения. Наиболее важные механические свойства материалов определяются при статических и динамических нагрузках. А А а б в Рис. 10. Схемы деформаций а – упругая б – скольжением в – двойникованием 21 1.6 .1. Механические свойства, определяемые при статических нагрузках При статических испытаниях предусматривается медленное и плавное нарастание нагрузки, прилагаемой к испытуемому образцу. Наиболее распространены испытания на твердость и растяжение, дающие возможность определения нескольких важных показателей механических свойств. Испытания на твердость Под твердостью понимается способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела – идентора. В качестве идентора используется закаленный стальной шарик или алмазный наконечник в виде конуса или пирамиды. На практике наиболее часто используются четыре метода измерения твердости. Твердость по Бринеллю. При этом методе в поверхность испытуемого образца вдавливается закаленный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при нагрузке от Н до Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром (риса. Диаметр лунки измеряется мерительной лупой, имеющей на окуляре шкалу с делениями. P D d P 0 P P P 1 P 0 P h h 0 d 136 а б в Рис. 11. Схема определения твердости а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу Число твердости НВ определяется делением нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка. где D – диаметр вдавливаемого шарика. Число твердости по Бринеллю записывается без единиц измерения ГОСТ 9012 – 59). 22 Способ измерения по Бринеллю используется для материалов малой и средней твердости сталей с твердостью ≤ 450 НВ, цветных металлов с твердостью ≤ 200 НВ. Твердость по Роквеллу. При этом методе измерения (ГОСТ 9023 – 59) нет необходимости измерять размеры отпечатка, так как число твердости отчитывается непосредственно по шкале твердомера (рис. 11, б. Число твердости зависит от глубины вдавливания идентора, в качестве которого используется алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной закаленный шарик диаметром 1,588 мм. Прибор Роквелла имеет три измерительные шкалы А, В, С. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами и буквами HR с указанием шкалы твердости, например. Шкала А используется при нагрузке 600 Н, наконечник – алмазный конус. Она применяется для особо твердых материалов, для тонких листовых материалов или тонких (0,5…1 мм) слоев. Измеренная твердость обозначается Н. Пределы измерений твердости по этой шкале 70…85. Шкала В используется при нагрузке 1000 Н, наконечник – стальной шарик. По этой шкале определяется твердость сравнительно мягких материалов. Измеренная твердость обозначается HRB. Пределы измерения. Шкала С используется при нагрузке 1500 Н, наконечник – алмазный конус. По этой шкале измеряется твердость, превышающая 450 НВ. Твердость обозначается индексом HRC. Пределы измерения 20…67. Твердость по Виккерсу. При этом способе (ГОСТ 2999 – 75) в поверхность образца вдавливается четырехгранная пирамида с углом при вершине 136º. Отпечаток получается в виде квадрата (рис. 11, в, диагональ которого измеряется после нагрузки. Число твердости рассчитывается по формуле где Р – нагрузка (10, 30, 50, 100, 200, 500 Н d – диагональ квадрата отпечатка, мм. Метод Виккерса применяется для материалов, имеющих большую твердость, а также для деталей малых сечений или тонких поверхностных слоев. Микротвердость. Этот способ предусматривает вдавливание в поверхность образца алмазной пирамиды с небольшими нагрузками (0,05…5 Ни измерение диагонали отпечатка. Число твердости Н определяется по той же формуле, что и вычисление числа твердости по Вик- керсу. Методом Виккерса оценивается твердость отдельных зерен, структурных составляющих, тонких слоев. 23 Испытания на растяжение.При растяжении стандартных образцов с площадью поперечного сечения и длиной строится диаграмма растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца (рис. 12), на которой выделяются три участка упругой деформации до нагрузки Р упр , равномерной пластической деформации (от Р упр до Р) и сосредоточенной пластической деформации (от Р до Р к ). Прямолинейный участок сохраняется до нагрузки, соответствующей пределу пропорциональности Р пц . Тангенс угла наклона прямолинейного участка характеризует модуль упругости первого рода. На участке от Р пц до Р упр линейная зависимость между Р и Δℓ нарушается из-за упругих несовершенств материала, связанных с дефектами решетки. Пластическое деформирование выше Р упр идет при возрастающей нагрузке, так как металл в процессе деформирования упрочняется. Такое упрочнение называется наклепом, который увеличивается до разрыва образца, хотя нагрузка при этом уменьшается (риса. Это объясняется появлением в испытуемом образце местного уменьшения площади поперечного сечения – шейки. P P max P пц P упр P к P т -Р 0 ,2 tg a 0 Dl a s s s в s в s 0,2 s упр e e б в Рис. 12. Диаграмма растяжения пластичного металла (аи диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов Истинное напряжение определяется делением действующей в данный момент нагрузки на площадь поперечного сечения образца. Однако на практике истинные напряжения не определяют а используют условные напряжения, считая, что образца остается постоянным. Напряжения упр, т, σ в (стандартные характеристики прочности) получаются делением Р упр , Рт и Р на см. рис. 12, б ив Пределом упругости упр называется напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используются величины пластической деформации, равные 0,005; 0,02 и 0,05 %. Соответственно пределы упругости обозначаются σ 0,005 , σ 0,02 , σ 0,05 24 Предел текучести т это наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. Условным пределом текучести называется напряжение, при котором пластическая деформация достигает 0,2 %, Временное сопротивление в напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р, предшествующей разрушению образца, Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением ψ: где и к начальная и конечная длина образца F 0 – начальная площадь поперечного сечения образца к площадь поперечного сечения образца вместе разрыва. В качестве характеристики механических свойств качественных сталей часто используются отношения σ т /σ в , в. Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках При работе механических устройств (на железнодорожном транспорте в особенности) возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Для его оценки проводятся динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (риса. Ударная вязкость определяется работой K, необходимой для излома образца, отнесенного к рабочей площади его поперечного сечения F. Образец устанавливается на двух опорах и затем наносится удар по его середине (рис. 13, б) со стороны противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца, где P – масса маятника, кг h – высота подъема маятникам угол подъема маятника перед ударом β – угол подъема маятника после разрушения образца. На практике работа K не рассчитывается, а определяется по шкале копра. 25 В соответствии с ГОСТ 9454-78 предусматриваются испытания образцов с концентраторами напряжений трех видов образным (радиус надреза r =1±0,07 мм образным (r=0,25±0,025 мм) и образным трещина. Соответственно ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCT . Единица измерений МДж/м 2 Рис. 13. Схема маятникового копра (аи образца (б 1 – маятник 2 – образец 3 – шкала 4 – стрела 5 – тормоз Из всех характеристик механических свойств ударная вязкость дает наиболее полное представление о чувствительности металла к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используются для определения порогах лад о ломкости температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости. |