Пластическая деформация и механические свойства металлов

Материал при приложении к нему внешних сил деформируется. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после прекращения действия приложенных сил. При упругом деформировании атомы обратимо смещаются от положения равновесия, т.е. колеблются около своего среднего положения и после снятия нагрузки возвращаются в него. При пластическом ─ атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация становится необратимой.

Деформация может происходить путем скольжения и двойникования. На свойства металлов большое влияние оказывает их дислокационная структура. Прочность бездислокационных кристаллов (теоретическая прочность) в сотни раз превышает прочность реальных материалов. При плотности дислокаций порядка 10⁶…10⁸ см^-2, характерной для чистых неупрочненных металлов, сопротивление деформированию наименьшее. При увеличении плотности сверх указанных значений подвижность дислокаций снижается, что сопровождается ростом прочности. Эффективными способами повышения плотности дислокаций (и других дефектов) и снижения их подвижности являются легирование, пластическое деформирование (деформационное упрочнение), упрочняющая термическая и химико-термическая обработка.

Состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, протекающие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизация.

Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном уменьшение количества точечных дефектов). Полигонизация ─ процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и переползании дислокаций, которые выстраиваются в виде стенок.

Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения. Размер рекристаллизованных зерензависит от величины перегрева выше температурного порога рекристаллизации и от степени предшествующей пластической деформации. Степень деформации, 3…8 %, при которой нагрев деформированного тела приводит к существенному росту рекристаллизованных зерен, называется критической. Такие степенями деформации на практике не используются. Температура рекристаллизации зависит от температуры плавления металла и определяется по формуле Т_рекр= αТ_пл, где Т_рекр и Т_пл ─ абсолютные температуры рекристаллизации и плавления; α ─ коэффициент, зависящий от чистоты металла. Чем чище металл, тем он меньше. Для технически чистых металлов α равен 0,4.

Если деформирование металла происходит при температуре, ниже температуры рекристаллизации, то обработка давлением называют холодной и сопровождается повышением твердости и прочности металла. Это явление называется наклепом. При обработке, ведущейся выше температуры рекристаллизации, упрочнение снимается рекристаллизационными процессами. Такая обработка называется горячей.

Механическими называют свойства материала, определяющие его сопротивление действию внешних механических нагрузок.

Прочность металла при статическом нагружении ─ это свойство, определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стандартными характеристиками прочности являются предел упругости, предел текучести и временное сопротивление разрушению.

Пределом упругости называют напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями (например, 0,005 % ─ σ_0,005).

Предел текучести (условный) ─ это напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2 % (σ_0,2). Предел текучести физически устанавливают по диаграмме растяжения, если на ней есть площадка текучести.

Временное сопротивление разрушению σ_в характеризует максимальное напряжение, предшествующее разрушению образца. Различают напряжения условные и истинные. Условным напряжением называют отношение величины нагрузки к исходному сечению образца, истинным ─ к сечению, которое образец приобрел к моменту достижения данной нагрузки. Диаграммы растяжения пластичных металлов с условными напряжениями отличаются от диаграмм с истинными напряжениями.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и долговечности.

К критериям прочности при статических нагрузках относят σ_в (при оценочных расчетах пластичных материалов используют твердость) или σ_0,2, модуль упругости. В некоторых случаях необходимо учитывать удельные характеристики, критерии жаропрочности.

Твердость характеризует свойство поверхностного слоя материала оказывать сопротивление упругой и пластической деформации при местных контактных воздействиях.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отношение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и ползучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность (относительное удлинение ─ δ, относительное сужение ─ ψ), вязкость разрушения (К_1с), ударная вязкость (КСU, КСV, КСТ), хладноломкость.

δ и ψ характеризуют изменения геометрических параметров стандартных образцов при напряжении, вызывающем разрушение.

К_1с показывает, какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость ─ это сопротивление разрушению при динамических нагрузках.

Хладноломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладноломкости характеризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, т. к. излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок. Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5…1,0 мм) до разрушения. Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозернистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону излома, носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств металла) разрушения.

При циклическом нагружении разрушение начинается в местах концентрации напряжений (деформации), локализующихся на различных повреждениях поверхностного слоя. Поверхностное упрочнение (химико-термическая обработка, поверхностная закалка, пластическое деформирование) эффективно снижает роль концентраторов, затрудняя деформацию поверхности деталей.

 

ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Железо обладает температурным полиморфизмом и может существовать в двух аллотропических модификациях: в виде Fe-α с ОЦК и Fe-γ с ГЦК кристаллическими решетками. С углеродом железо образует твердые растворы и химическое соединение.

Твердый раствор внедрения углерода в Fe-α называется ферритом. Растворимость углерода в нем максимум 0,02 % при температуре 727 ºС. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью.

Твердый раствор внедрения углерода в Fe-γ называется аустенитом. Максимум растворимости углерода в аустените 2,14 % (при температуре 1147 ºС). В равновесном состоянии аустенит существует лишь выше 727 ºС. Он обладает высокой пластичностью и низкой твердостью.

Железо с углеродом образует химическое соединение Fе₃С– цементит, очень твердый и хрупкий.Железоуглеродистые сплавы, содержащие углерода менее 2,14 %, называются сталями, более ─ чугунами. На рис. 4.1 представлена диаграмма состояния Fе-Fе₃С. Кристаллизация сталей завершается на линии AHJE, на линии HJB протекает перитектическое превращение. По равновесной структуре стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на техническое железо (С ≤ 0,02 %), доэвтектоидные (0,02 < С< 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %) и заэвтектоидные (0,8 < С ≤ 2,14 %). В структуре технического железа присутствует феррит и третичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава ниже 727 ºС из феррита.

 

Рис. 4.1. Диаграмма состояния Fе-Fе₃С

 

Структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Перлит ─ это эвтектоид ─ механическая смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидного превращения из аустенита при переохлаждении сплавов ниже линии эвтектоидных превращений PSK, равной 727 ºС. Перлит содержит 0,8 % углерода. По относительному количеству перлита можно судить о содержании углерода в сплаве. Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода. Структура ее полностью состоит из перлита.

В структуре заэвтектоидной стали содержатся перлит и вторичный цементит, выделяющийся при охлаждении сплава в интервале температур 1147…727 ºС из аустенита в соответствии с линией предельной растворимости SE диаграммы Fе- Fе₃С. Чугуны, кристаллизующиеся по диаграмме Fе-Fе₃С и содержащие весь углерод в химически связанном состоянии в виде Fе₃С, называют белыми. Кристаллизация белых чугунов завершается эвтектическим превращением при переохлаждении сплавов ниже линия ECF, равной 1147 ºС, c образованием эвтектики – механической смеси аустенита и цементита, называемой ледебуритом. При переохлаждении ниже 727 ºС аустенит претерпевает эвтектоидное превращение и образуется ледебурит превращенный, представляющий смесь перлита и цементита.

По равновесной структуре белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Содержание углерода в доэвтектическом чугуне находится в пределах 2,14...4,3 %. Структура его состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита превращенного.

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.

 

а) б) в) г)

Рис.4.2. Структурные составляющие в системе Fе-Fе₃С: а ‑ аустенит (увеличение х250); б ‑ феррит (х250); в ‑ ледебурит(х200); г ‑ перлит (х10000)

 

Эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода и имеет структуру ледебурита превращенного. В заэвтектическом чугуне содержится более 4,3 % углерода (до 6,67 %). Его структура состоит из первичного цементита и ледебурита превращенного.

Чугуны со структурно свободным углеродом в зависимости от геометрической формы графитных включений называют: серыми (пластинчатый графит), ковкими (хлопьевидный графит), высокопрочными (шаровидный графит). Металлическая основа чугунов может быть ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. В ферритных чугунах весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. В перлитных ─ 0.8 % углерода связанно в цементит, остальной углерод находится в свободном состоянии. При одинаковой металлической основе механические свойства чугунов возрастают от серого к высокопрочному.

Серые чугуны получают при охлаждении отливок с обычными скоростями, характерными для песчаных форм (при больших скоростях получают белый чугун). Маркируют серые чугуны буквами СЧ и числом, обозначающем временное сопротивление разрушению σ_в в кг/мм² (в десятых долях МН/м²), например СЧ 24.

 

а) б) в) г)

Рис.4.3. Микроструктуры сплавов в системе Fе-Fе₃С (х200):

а ‑ доэвтектоидная сталь; б ‑ заэвтектоидная сталь; в ‑ доэвтектический чугун; г ‑ заэвтектический чугун

а) б) в) г)

Рис.4.4. Микроструктуры чугунов (х200): а ‑ ферритный серый; б ‑ ферритный ковкий; в ‑ перлитный ковкий; г ‑ ферритно-перлитный высокопрочный.

Ковкие чугуны получают путем длительного графитизирующего отжига белых чугунов. Маркируют ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, первое из которых ─ σ_в в кг/мм², второе ─ относительное удлинение δ в %, например, КЧ 37-12.

Высокопрочные чугуны получают путем модифицирования в ковшах расплава серого чугуна магнием или церием. Маркируют чугуны буквами ВЧ и числом, обозначающим σ_в в кг/мм², например ВЧ 65.