Механические свойства при статических испытаниях

К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение и изгиб. На рис.3.8 кривая 1 характеризует поведение (деформацию) металла под действием напряжений, величина которых является условной, ее вычисля­ют делением нагрузки Р в данный момент времени на первоначальную пло­щадь поперечного сечения образца (F₀).

Кривая 2 описывает поведение (деформацию) металла под действием напряжений S, величина которых является истинной, ее вычисляют делени­ем нагрузки Р в данный момент времени на площадь поперечного сечения образца в этот же момент.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорцио­нальности (s_п.ц).Обычно определяют условный предел пропорциональности, т.е. напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью напря­жений, увеличивается на 50% от своего значения на линейном (упругом) участке.

Предел упругости определяется как напряжение, при котором остаточ­ная деформация достигает 0,05% (или еще меньше) от первоначальной дли­ны образца.

Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 %, называют условным пределом текучести (σ_0,2).

Кроме того, при испытании на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относятся: относительное удлинение и относительное сужение:

d=(l_k-l₀)*100%/l₀;

Y=(F₀-F_k)*100%/F₀,

где l₀ и l_k - длина образца до и после разрушения; F₀ и F_k - площадь поперечного сечения образца до и после разрушения соответственно.

 

ФАЗЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВАХ

 

Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обес­печивают требуемых физико-химических и технологических свойств. Поэто­му в технике их применяют редко. Наиболее широко используют сплавы.

Сплавы получают сплавлением или спеканием двух или более металлов или металлов с неметаллом. Они обладают характерными свойствами, при­сущими металлическому состоянию. Вещества, образующие сплавы, называ­ются компонентами.

Сплав может состоять из двух или большего числа компонентов и обра­зовывать одну или несколько фаз.

Фазой называется физически и химически однородная часть системы (металла или сплава), имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегат­ное состояние и отделенная от остальных частей системы поверхностью раздела.

В сплавах в зависимости от физико-химического взаимодействия компо­нентов могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.

Твердые растворы

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого или других компонентов располагаются в решетке первого компонента (раство­рителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Различают твердые растворы замещения (рис. 4.1,а) и твердые растворы внедрения (рис.4.1,б). При образовании твердого раствора замещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. Атомы растворенного компонента могут замещать любые атомы растворителя.

При образовании твердого раствора внедрения атомы раство­ренного компонента располагаются в междоузлиях (пустотах) кристалли­ческой решетки растворителя. При этом атомы располагаются не в любом междоузлии, а в таких пустотах, где для них имеется больше свободного пространства.

При образовании твердого раствора кристаллическая решетка всегда ис­кажается и периоды ее изменяются. При образовании твердого за­мещения период решетки может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонен­та. В случае твердого раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. В растворах замещения атомы меньшего размера (по сравнению с атома­ми металла растворителя) скапливаются в сжатой зоне решетки, атомы больших размеров - в растянутой зоне решетки, при обра­зовании твердого раствора внедрения атомы растворенного элемента рас­полагаются в растянутой области под краем экстраплоскости; в области дислокации чужеродным атомам легче размещаться, чем в совер­шенной области решетки, где они вызывают значительные искажения решет­ки. Атомы внедрения значительно сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Обра­зование атмосфер сопровождается уменьшением искажений решетки, что предопределяет их устойчивость. Выход или отрыв атомов из атмосферы Коттрелла требует значительной энергии.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью могут образоваться при соблюдении следующих условий:

1. Компоненты должны обладать одинаковыми по типу (изоморфными) кристаллическими решетками. Только в этом случае при изменении кон­центрации твердого раствора будет возможен непрерывный переход от кристаллической решетки одного компонента к решетке другого компонен­та.

2. Различие в атомных размерах компонентов должно быть незначи­тельным и не превышать определенной величины— для сплавов на основе меди до 14-15 %, а для сплавов на основе железа до 9 %.

3. Компоненты должны принадлежать к одной и той же группе периоди­ческой системы элементов или к смежным родственным группам и в связи с этим обладать близким строением валентной оболочки электронов в ато­мах.

Твердые растворы внедрения могут возникнуть только в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик. Поэтому твердые растворы этого типа получаются лишь при растворении в металле (напри­мер, в железе, молибдене, хром и т.д.) углерода (атомный радиус 0,77A), азота (0,71 А), водорода (0,46 А), т. е. элементов с малым атомным радиусом. Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основ­ного компонента сохраняются в узлах решетки. Роль этого вида твердого раствора значительна в сталях и чугунах.

Упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры). В некоторых спла­вах (например, Cu-Au, Fe-Al, Fe-Si, Ni-Mn и др.), образующих при высо­ких температурах растворы замещения (с неупорядоченным чередованием атомов компонентов), при медленном охлаждении или длительном нагреве при определенных температурах протекает процесс перераспределения ато­мов, в результате которого атомы компонентов занимают определенные по­ложения в кристаллической решетке. Такие твердые растворы получили название упорядоченных твердых растворов или сверхструктур. Образование сверхструктуры сопровождается изменением свойств.

Химические соединения

Химические соединения и родственные им по природе фазы в металли­ческих сплавах многообразны. Характерными особенностями химических со­единений, образованных по закону нормальной валентности, отличающими их от твердых растворов, являются следующие:

1. Кристаллическая решетка отличается от решеток компонентов, обра­зующих соединение. Атомы в решетке химического соединения располагают­ся упорядоченно, т. е. атомы каждого компонента расположены закономер­но и по определенным узлам решетки. Большинство химических соединений имеет сложную кристаллическую структуру.

2. В соединении всегда сохраняется кратное массовое соотношение элементов. Это позволяет выразить их состав простой формулой А_nВ_m, где А и В - соответствующие элементы; n и m - простые числа.

3. Свойства соединения резко отличаются от свойств образующих его компонентов.

4. Температура плавления (диссоциации) постоянная. В отличие от твердых растворов химические соединения обычно образу­ются между компонентами, имеющими большое различие в электронном стро­ении атомов и кристаллических решеток.

Примером типичных химических соединений с нормальной валентностью являются соединения магния с элементами IV-VI групп периодической системы и др. Соединения одних металлов с другими носят об­щее название интерметаллидов или интерметаллических соединений. Хими­ческая связь между атомами в интерметаллидах чаще металлическая.

Большое число химических соединений, образующихся в металлических сплавах, имеют некоторые особенности, отличающие их от типичных хими­ческих соединений: так, некоторые из них не подчиняются законам ва­лентности и не имеют постоянного состава.

 

4.3.Фазы внедрения.

Переходные металлы Fe, Mn, Сг, Мо и др. образуют с углеродом, азотом, бором и водородом, т. е. элементами с малым атомным радиусом, такие соединения, как карбиды, нитриды, бориды и гидриды. Они имеют много общего в строении и свойствах; часто их называют фаза­ми внедрения.

Фазы внедрения имеют формулу: M₄X(Fe₄), M₂x(Fe₂N), MX(TiN) и др. Кристаллическая структура фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (R_x) и металла (R_m). Если R_x/R_m < 0.59, то атомы металла в этих фазах расположены по типу одной из простых кристалли­ческих решеток: кубической (К8, К12) или гексагональной (Г12),в кото­рую внедряются атомы неметалла, занимая в ней определенные поры.

Фазы внедрения являются фазами переменного состава, а соответствую­щие им химические формулы обычно характеризуют максимальное содержание в них неметалла. Фазы внедрения обладают высокой электропроводностью, уменьшающейся с повышением температуры, и металлическим блеском. Карби­ды, относящиеся к фазам внедрения, плавятся при высокой температуре.

Если условие R_x/R < 0,59 не выполняется, как это наблюдается для кар-бидов железа, марганца и хрома, то образуются соединения с более слож­ными решетками; такие соединения нельзя считать фазами внедрения.

 

4.4.Электронные соединения.

Эти соединения образуются между одновалент­ными элементами (Си,Ag,Au,Li,Na) или металлами переходных групп (Fe, Mn, Со и др.) и простыми металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Cd, Al и др.). Особенно часто электронные соединения встречаются в сплавах Си, Ag или Au.

Соединения этого типа имеют определенное отношение числа валентных электронов к числу атомов, т. е. определенную электронную концентрацию. Так, существуют соединения, у которых это отношение в одних случаях равно 3/2 (1,5); в других 21/13 (1,62), в третьих 7/4 (1,75). Каждому из указанных соотношений соответствуют и определенные типы кристалли­ческой решетки.

Электронные соединения подобно обычным химическим соединениями имеют кристаллическую решетку,отличную от решетки образующих компонен­тов, но в отличие от химических соединений с нормальной валентностью электронные соединения образуют с компонентами, из которых они состо­ят, твердые растворы в широком интервале концентраций.