3(43)Виды напряжений. Напряжения 1, 2, 3 рода
Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Тело деформируется под действием приложенных к нему внешних сил или различными физико-механическими процессами, например, вследствие температурного воздействия или изменением объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях.
При этом в теле возникают внутренние напряжения. Напряжением называется отношение действующего усилия к площади поперечного сечения тела или образца σ = P/F.
Сила Р, действующая на некоторой площадке F, обычно не перпендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают не только нормальные, но и касательные напряжения (рисунок ниже, а). В зависимости от направления действия силы нормальные напряжения подразделяют на растягивающие и сжимающие.
Наличие в испытуемом образце механических надрезов, трещин, внутренних дефектов металла, сквозных отверстий, резких переходов от толстого к тонкому сечению и т.д. приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений (рисунок ниже, б). Пик напряжений (σk) тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения. Различают временные и остаточные напряжения.
Временные напряжения возникают под действием внешней нагрузки и исчезают после ее снятия, остаточные - остаются в теле после прекращения действия нагрузки.
рис.1Образование нормальных (σ) и касательных (τ) напряжений при приложении силы Р к площади F (а) и эпюры растягивающих напряжений при различных концентраторах напряжений (б) σн — номинальное (среднее) напряжение (штриховая линия); σк — максимальное напряжение;
Внутренние напряжения могут возникать при неравномерном нагреве изделия вследствие неоднородного расширения металла в различных зонах. Эти напряжения называют температурными. Кроме того, напряжения возникают вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему и т. д. Их называют фазовыми или структурными.
В зависимости от взаимно уравновешенных объемов различают напряжения I, II и III рода. Напряжения I рода уравновешены в объеме всего тела, напряжения II рода — в пределах зерна, а напряжения III рода — в объемах кристаллической ячейки.
Все эти виды напряжений взаимосвязаны между собой и изменение микронапряжений III рода вызывает образование макронапряжений I рода.
4(12) Образование аморфных металлов
Аморфные металлические сплавы получают быстрой закалкой расплавов при скоростях охлаждения жидкого металла в интервале 104 -106 град/с и при условии, что сплав содержит достаточное количество элементов, способствующих образованию аморфной стру ктуры, так называемые аморфизаторы. Для практического приу1снсния обычно используют сплавы переходных металлов (Fe. Со. Mn. Cr. Ni и др.). в которые для образования аморфной структуры добавляют аморфообразующне элементы типа В, С. Si, Р. S. Затвердевание с образованием аморфной структуры принципиально возможно ятя всех металлов и сплавов Состав аморфных сплавов близок по формуле М80Х20- где М — один или несколько переходных металлов, а X — один или несколько аморфизаторов. Известны аморфные сплавы, состав которых отвечает приведенной формуле: Fe70Cr10P15B5, Fe40Ni40S14B6 и др. Соответственно аморфные металлические сплавы разделяются (в зависимости от типа аморфизатора) на сплавы «металл—неметалл» и «металл—металл».
Структура аморфных сплавов подобна структуре замороженной жидкости. Затвердевание происходи настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов, благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсу тству ют границы блоков, зерен и другие дефекты стру кту ры, типичные язя поликристаллических сплавов. Считается, что в аморфном металлическом сплаве элементарная ячейка, характерная для кристаллического состояния, также сохраняется. Однако при стыковке элементарных ячеек в пространстве порядок их нарушается, и стройность рядов атомов, характерная для дальнего порядка, отсутствует.Ближний порядок, лежащий в основе структуры аморфных сплавов, является метастабильной системой. При нагреве до температуры кристаллизации он перестраивается в обычную кристаллическую структуру. В среднем для большинства аморфных сплавов Ткр находится в пределах 650-1000 К. При комнатной температуре аморфные сплавы могут сохранять структуру и свойства в течение 100 лет
Существуют следующие методы получения аморфных металлов:
1.Осаждение металла из газовой фазы: вакуумное напыление, распыление и химические реакции в газовой фазе.
2.Затвердевание жидкого металла. К этой группе относятся различные методы закалки из жидкого состояния
3.Введение деффектов в металлический кристалл. Сюда можно отнести методы облучения частицами поверх пости кристалла, воздействия ударной волной и ряд других.
4.Имеется также одна особая группа методов, где речь идет об электролитическом осаждении морфных пленок из растворов электролитов, главным образом водных.
В промышленном производстве аморфные металлы получают
•катапультированием капли на холодную пластину,
•распыленнем струи газа или жидкости;
•центрифугированием капли или струи.
•расплавлением тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла.
• сверхбыстрым охлаждением из газовой среды.
С помощью данных способов получают ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.
Применение аморфных сплавов напрямую связано с их уникальными свойствами.
Высокие прецизионные и пружинные свойства позволили использовать аморфные материалы для изготовления пружин, сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения, крутящего момента, пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств.
Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовление металлокорда шин и др. что связано с их высокой прочностью
Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, а также изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред. Из аморфной ленты изготавливают предметы бытового назначения - бритвенные лезвия,рулетки и др.
Аморфные высокоуглеродистые сплавы, содержащие Сг, Mo, W обладают высоким сопротивлением разрушению и термической стабильностью, такие сплавы используются в высокопрочных композитах.
Широкому применению аморфных металлов препятствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за низкой свариваемости.