Механические свойства металлов и сплавов. Пластическая деформация. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного метала.

Из многообразия свойств металлов и сплавов для инженера важнейшими являются механические свойства. Механические свойства тел – основные свойства конструкционных материалов, которые, с одной стороны, определяют их применение, а с другой являются теми конкретными параметрами, значения которых контролируются и задаются в процессах получения и обработки материалов. Механическими свойствами материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием внешних механических сил (статических, динамических, циклических), или при разных температурных условиях, в том числе и в различных средах. Основными механическими свойствами металлов являются: прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость, износостойкость.

Зная механические свойства при проектировании обоснованно выбирают соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе, а также возможность изготовления изделий различными способами обработки. По показателям прочности, пластичности и другим проводят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль качества металлов при изготовлении изделий.

Прочность – способность металлов сопротивляться деформированию и разрушению.

Пластичность – способность к необратимой деформации формы без разрушения.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

Упругость – способность метала восстанавливать свою форму после прекращения действия сил.

Твердость – способность металла оказывать сопротивление внедрению в него другого, более твердого тела.

Износостойкость – способность металла сопротивляться изнашиванию в процессе трения.

Для определения механических свойств из данного материала изготавливают образцы, которые затем подвергают испытанию на испытательных машинах. К образцу могут быть приложены различные усилия – растягивающие, сжимающие, скручивающие и другие, под воздействием которых в образце возникают деформации, проявляющиеся в изменении размеров и формы. Деформации могут быть упругими, пластичными (остаточными). Упругая деформация исчезает после снятия нагрузки, при этом образец восстанавливает свои первоначальные размеры. При пластической – не сохраняются ни размеры, ни форма. В зависимости от способа приложения нагрузки испытания механических свойств проводятся при следующих 3^х видах нагрузки:

1. статической;

2. динамической;

3. знакопеременной.

Твердость металла обычно оценивается методом вдавливания. Наиболее распространенны следующие методы:

1. Метод Бринелля (вдавливанием стального шарика). О твердости металла судят по диаметру отпечатка шарика. Твердость по Бринеллю обозначается НВ – отношение нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 НВ.

Для черных металлов НВ = 140 – 450 (1400 – 4500 МПа). Цветных НВ = 35 – 130 (350– 1300 МПа).

2. Метод Виккерса. Метод аналогичен предыдущему только вдавливается алмазная 4^х гранная пирамида. Применяется для небольших деталей и инструмента, а так же для металлов высокой твердости, малых сечений и тонких наружных слоев термически обработанных деталей. Обозначается 500 HV _10/30, где 10 нагрузка в кг, 30 время действия нагрузки, 500 твердость (кгс/мм²).

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной призмы.

3. Метод Роквелла. Метод основан на вдавливании алмазного конуса или стального шарика. Твердость обратно пропорциональна глубине вдавливания. Чем тверже метал – тем меньше глубина вдавливания. Стальной шарик применяется для определения твердости мягких металлов. Обозначается HRB. Алмазный конус применяется для определения твердости закаленных деталей и твердых материалов. Обозначается HRA, HRC. Например, 50 HRC означает, что твердость, определенная методом Роквелла по шкале C при вдавливании алмазного конуса, равна 50 (размерность не ставится).

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Прочность – способность материала сопротивляется разрушению, под действием внешней нагрузки. Определяется на разрывных машинах. Причем в этом случае определяются по характерным точкам диаграммы 3 показателя s_в, s_Т и s_раз. Кроме этого по образцу определяются также вязкость (пластичность) по относительному удлинению и относительному сужению.

Определение усталости осуществляется на циклических машинах. Предел усталости стальных образцов обычно определяется на базе 5×10⁶ циклов, а цветных литейных сплавов на базе 20×10⁶ циклов. В этих условиях придел усталости – это наибольшее напряжение, при котором образец не разрушается при испытаниях на базовом условии.

Прочность металла пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Однако расчеты свидетельствуют, что подсчитанная таким путём теоретическая прочность на 2 – 3 порядка выше, чем фактическая, установленная экспериментальным путём. Так, для железа П_теор=13000 МПа, а фактическая П_ф=250 МПа. Такое расхождение объясняется тем, что деформация происходит не путём одновременного смещения всех атомных плоскостей, а за счет постепенного перемещения всех дислокаций (эффект дождевого червя или змеи) в плоскости сдвига рис. 1.7. Распространение скольжения по плоскости происходит последовательно.

Рис. 1.7. Схема пластической деформации путем последовательного перемещения дислокаций

 

Элементарный акт перемещения дислокации совершается путём разрыва лишь одной вертикальной плоскости по линии пересечения её с плоскостью сдвига. Для перемещения дислокации требуется значительно меньшее усилие, чем для жёсткого смещения одной части кристалла относительно другой в плоскости сдвига. Это объясняется тем, что атомы, расположенные в поле дислокации, возбуждены, их энергия повышена. Они уже выведены из регулярного положения, где имели минимально свободную энергию. Поэтому для их перемещения необходимо приложить небольшую энергию, чем при синхронном сдвиге, чтобы слегка сместившись, они заняли устойчивое положение, то есть совершиться элементарной акт пластической деформации.

Таким образом, имеем, что пластическая деформация происходит под действием касательных напряжений в результате перемещения небольшого числа атомов в области дислокации или иначе перемещения дислокации.

Пластическая деформация некоторых металлов (например, титан, магний, цинк) может осуществляться двойникованием. Как и скольжение, двойникование осуществляется за счет сдвига, однако в этом случае происходит сдвиг части кристалла в положение, соответствующее зеркальному отображению несдвинутой части.

При упругом деформировании происходит незначительное изменение расстояния между атомами в кристаллической решётке металла. С увеличением межатомных расстояний сильно возрастают силы взаимного притяжения атомов. При снятии напряжения под действием этих сил атомы возвращаются в исходное положение. Искажение решётки исчезает. Тело полностью восстанавливает свою форму.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют д еформационным упрочнением или наклепом.

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла приведено на рис. 1.8,19.

Возврат. Небольшой нагрев (0,2 - 0,3Т_пл, где Т_пл – температура плавления) вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки. Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен.

Рис. 1.8. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойства

σ – нормальное напряжение, σ_в – предел текучести, δ – относительная упругая деформация

 

Рис.1.9. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

 

При последующем нагреве происходит изменение микроструктуры наклепанного металла. С ростом температуры подвижность атомов растет и образуются новые зерна вместо ориентированной структуры.Процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры называется рекристаллизацией.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

Процесс рекристаллизации протекает в две стадии.

1 стадия – первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации Т_рек связана с температурой плавления: Т_рек= a·Т_пл, где a – коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.

Для технически чистых металлов a = 0,3-0,4, для сплавов a = 0,5-0,6.

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t₁ начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла. Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации.

Микроструктура и механические свойства зависят не только от температуры обработки, но и от степени деформации. Для конкретного металла при некоторой температуре и степени деформации имеет место максимальный рост зерна. Интервал степени деформации, в котором при данной температуре наблюдается интенсивный рост зерна, называется критическим. С увеличением температуры этот интервал расширяется. Поэтому для получения малого зерна необходимо заканчивать обработку при более низких температурах.

Таким образом, нами определено место и значение курса «Материаловедение и технология материалов» в системе естественнонаучных и специальных технических дисциплин, рассмотрены современные представления о строении металлов, изучены диффузионные процессы в металлах и вопросы формирования их структуры процессов кристаллизации.

Рассмотрены основные понятия дисциплины «Материаловедение и технология материалов». Дано представление о конструкционных металлах и сплавах как основе современной техники.

Изучены механические свойства материалов, механизмы пластической деформации и влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.

Преподаватель отвечает на вопросы по материалам лекции и объявляет задание на самоподготовку: повторить материалы лекции и самостоятельно проработать вопросы 1. Основные способы определения механических свойств металлов. 2. Диффузионные процессы в металле. Прочность металлов.