ткм

кристаллов новой фазы. В результате превращения возникают новые зѐрна, имеющие другой размер и форму. В отличие от кристаллизации из жидкого состояния, перекристаллизация в твѐрдом состоянии сопровождается упругими напряжениями.

Полиморфные превращения испытывают не только чистые металлы, но и сплавы. Эти превращения сопровождаются изменением плотности, теплофизических, электрических, магнитных, химических, механических и других свойств.

Изучение явлений полиморфизма имеет громадное практическое значение. Его необходимо учитывать в науке и технике при создании и использовании материалов. Ярким примером в этом отношении является «болезнь» белого олова – так называемая «оловянная чума». Как известно, есть два вида (или две модификации) олова: серебристо-белое и серое. Первое термодинамически стабильно при температурах выше 13,2 °С. Ниже этой температуры атомы белого олова могут перестроиться и образовать кристаллы другой разновидности – серого олова. Свойства этих двух видов олова сильно отличаются. Плотность белого олова составляет 7,3 г/см3, а серого – 5,8 г/см3. Переход из белой разновидности в серую сопровождается резким увеличением объѐма (на 25,6 %), и белое олово рассыпается в серый порошок.

Это случилось в конце 18 в. в Петербурге на одном из неотапливаемых складов военного обмундирования, когда зимой под воздействием низких температур большие запасы начищенных белых пуговиц, изготовленных из олова, рассыпались в порошок. То же самое произошло с брусками белого олова, отправленного поездом однажды из Голландии в Москву. Вместо слитков был привезѐн серый порошок.

Если серое олово обдать кипятком, оно от сильного нагревания перейдѐт в белую разновидность. Конечно, при этом не восстановятся ни слитки, ни пуговицы, а получится лишь порошок белого цвета.

Наряду с анекдотическими известны трагические последствия «болезни» белого олова. Так, антарктическая экспедиция английского полярного исследователя Роберта Скотта к Южному полюсу, достигнув его 18 января 1912 г. (на 33 дня позже норвежского полярного исследователя Р. Амундсена), погибла на обратном пути. Одна из причин – разрушение «чумой» паянных оловом сосудов с жидким топливом.

Следует различать понятия «полиморфизм» и «аллотропия». Эти понятия совпадают лишь тогда, когда рассматриваются разные кристаллические модификации одного и того же элемента. Так, аллотропические модификации ромбической и моноклинной серы являются в то же время и полиморфными ее модификациями, но газообразные кислород О2 и озон О3 – это только аллотропические модификации элемента кислорода.

ГЛАВА 3. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 3.1. Общие сведения о свойствах

Свойства металлов и сплавов обычно делят на четыре группы: физические,

химические, механические и технологические.

Кфизическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления, теплоѐмкость, теплопроводность, электропроводность, коэффициент излучения, электронно-эмиссионные, магнитные и другие свойства.

Кхимическим свойствам относятся: устойчивость в жидких и газообразных химических реагентах, в том числе – окисляемость, жаростойкость (окалиностойкость), химическая стойкость в расплавах металлов, совместимость с элементами и соединениями в твѐрдой фазе, каталитические и другие свойства.

Кмеханическим свойствам относятся: прочность, пластичность, вязкость, упругость, твѐрдость и др. Подробно механические свойства будут рассмотрены ниже.

Ктехнологическим свойствам металлов относятся: жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом. Жидкотекучесть – способность металлов растекаться и заполнять литейную форму. Ковкость – способность металлов подвергаться обработке давлением, а именно: прокатке, прессованию, волочению, штамповке и собственно ковке. Свариваемость – способность металлов давать прочные неразъѐмные соединения полученных из них деталей. Свойство металлов подвергаться обработке резанием, несмотря на большие отходы металла в виде стружки, широко используется в технике. Это связано с тем, что обработка резанием по сравнению с другими методами обеспечивает более точные размеры и чистоту поверхности деталей.

3.2.Механические свойства

Создание машин и механизмов, бытовых изделий требует знания целого

ряда различных свойств металлов и сплавов, в том числе механических.

Под механическими свойствами твѐрдых тел понимают способность твѐрдых тел сопротивляться деформации и разрушению (в сочетании с упругим и пластическим поведением) под действием внешних сил.

Основными характеристиками механических свойств, как известно из курса сопротивления материалов, являются модуль нормальной упругости, предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности или временное сопротивление, предел длительной прочности, предел усталости, предел ползучести, относительное удлинение, относительное сужение поперечного сечения при разрыве, твѐрдость, сопротивление удару или удельная ударная вязкость.

Указанные свойства определяют по результатам механических испытаний. В зависимости от характера нагружения различают статические, динамические и циклические испытания. При статических испытаниях нагрузка прилагается к образцу сравнительно медленно и возрастает плавно, при динамических – с

ударом и большой скоростью. При циклических испытаниях образец подвергают многократному нагружению, которое изменяется по величине или по величине и направлению. Нагрузка вызывает в твѐрдом теле напряжение и деформацию. Под напряжением понимают величину нагрузки, отнесѐнную к единице площади испытываемого образца, под деформацией – изменение формы и размеров твѐрдого тела.

К статическим испытаниям относятся: испытание на растяжение, на сжатие, кручение, изгиб, на твѐрдость.

3.2.1. Испытание на растяжение

Испытание на растяжение – метод, получивший широкое распространение для конструкционных сталей, цветных металлов и их сплавов. При этом используют образцы круглой и плоской формы. По результатам одного опыта испытание на растяжение позволяет установить ряд важных характеристик

название условных. При испытании на растяжение обычно пользуются диаграммой условных напряжений.

Из рисунка видно, что на начальном участке (до точки А) деформация прямо пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс или, другими словами, коэффициент пропорциональности между напряжением ζ и относительной деформацией δ вдоль оси нагружения при одноосном нагружении, ζ/δ получил название модуля упругости материала Е. В специальной литературе можно встретить другое название этой характеристики: модуль растяжения, модуль Юнга – в честь английского учѐного Томаса Юнга (1773–1829), изучавшего упругое поведение стержней.

Модуль упругости в большинстве случаев не зависит от структуры металла, т. е. не является структурно чувствительной характеристикой, а определяется силами межатомной связи. Значения модулей упругости для широко распространѐнных веществ приведены в табл. 1.

Модуль упругости является очень существенной величиной для оценки материалов, используемых в конструкциях. Так, при одних и тех же значениях напряжений, тот материал даст меньшую упругую деформацию, например, провисание балки, у которого больше модуль упругости.

Линейное соотношение между напряжением и деформацией ζ = E∙δ называют законом Гука – в память о работах другого английского ученого Роберта Гука (1635–1703), впервые установившего линейную зависимость между нагрузкой и удлинением. Предельное напряжение в области упругой деформации (точка A на рис. 20), где выполняется линейная зависимость между приложенным напряжением и вызываемой им деформацией, т. е. закон Гука, называется пределом пропорциональности. Его обозначают ζпц.

Таблица 1. Модули упругости

* ГПа = 100 кгс/мм2 Предельное напряжение, соответствующее нагрузке, при снятии которой

тело еще восстанавливает свои первоначальные размеры, называется пределом упругости. Предел упругости может совпадать с пределом пропорциональности или быть несколько выше его (точка B на рис. 20). Во втором случае при напряжениях, близких к пределу упругости, наблюдается отклонение от закона Гука. Предел упругости принято определять как напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,05 % от первоначальной длины образца

(ζ0, 05).

После краткой характеристики модуля упругости, предела пропорциональности и предела упругости необходимо сделать следующее принципиальное замечание. С появлением точных методов измерения было установлено, что чисто упругой деформации, бесследно исчезающей после снятия нагрузки, не существует. Более того, точные измерения показывают, что вся кривая растяжения имеет не плавный, а ступенчатый характер, а каждая ступенька соответствует серии сдвигов, происходящих практически одновременно. Поэтому данные выше определения упругих характеристик являются в известной степени условными.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что деформация растет быстрее, чем напряжение. В точке C возникает значительное удлинение без заметного увеличения растягивающей нагрузки. На участке CD материал становится пластичным. Он течѐт: на диаграмме «напряжение – удлинение» наблюдается так называемая площадка текучести. Наименьшее напряжение, при котором происходит необратимая пластическая деформация образца без заметного увеличения растягивающей нагрузки, называют пределом текучести. Ярко выраженную площадку текучести имеют, как правило, пластичные металлы и сплавы. Деформация обусловлена интенсивным размножением и

перемещением дислокаций. Площадка текучести может быть устранена предварительной слабой деформацией, закалкой и другими приѐмами.

Для материалов, на диаграмме растяжения которых площадка текучести отсутствует, определяют условный предел текучести ζ0.2, который соответствует напряжению, вызывающему остаточное удлинение 0,2 %.

Для того чтобы при снятии нагрузки конструкция (деталь) возвращалась к исходным размерам, относительные деформации должны находиться в области линейного закона упругости. Поэтому в основе инженерных расчѐтов принимают напряжения, не превышающие предела текучести. На практике нельзя допускать напряжений, приближающихся к пределу текучести.

В точке D материал начинает упрочняться, проявляя дополнительное сопротивление увеличению нагрузки. В точке E напряжение достигает максимального значения, или предела прочности ζB, который называют также временным сопротивлением. Дальнейшее вытягивание образца сопровождается уменьшением нагрузки, и в точке F начинается его разрушение.

Под пластичностью понимают способность материала, не разрушаясь под действием внешних сил, изменять форму и размеры. В качестве меры пластичности принимают относительное удлинение (укорочение) и поперечное сужение (уширение) при статическом испытании на растяжение (сжатие), а также ударную вязкость при динамическом испытании. Чаще всего пластичность характеризуют относительным удлинением δ и относительным сужением поперечного сечения ψ, выражающимися в процентах по приведенным ниже уравнениям:

где lo и lk – длина образца до и после разрыва;

Fo и Fk – площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.

Ухрупких материалов относительное удлинение и сужение близки к нулю,

упластичных достигают десятков процентов.

Максимальной пластичностью обладают материалы с ГЦК-решѐткой, промежуточной – с ГПУ, наименьшей – с ОЦК. Наибольшая величина пластической деформации, предшествующей разрушению, называется пределом пластичности. Предел пластичности является функцией температуры и условий деформации (например, растяжением, сжатием).

Пластическая деформация учитывается при выборе материала для изготовления изделий в операциях вытяжки, штамповки, гибки и т. д.

Предел прочности ζB или временное сопротивление разрыву – понятие чисто условное, соответствующее отношению максимальной нагрузки, предшествующей разрушению, к исходному, а не к действительному в момент разрыва сечению образца.

Поскольку обычная кривая растяжения (рис. 20) не учитывает постепенного уменьшения сечения образца, то может создаться неверное впечатление о том, что с увеличением степени деформации напряжения в испытуемом образце уменьшаются. Если же вычисления производить делением

действующей в данный момент силы на площадь поперечного сечения в тот же момент, мы получим кривую истинных напряжений, показанную на рис. 20 штриховой линией. Эта кривая, совпадая на начальном участке с обычной кривой, свидетельствует о том, что в действительности в материале напряжения возрастают вплоть до точки разрушения.

Отсюда следует, что для пластичных материалов получаемые в процессе обычных опытов на разрыв значения напряжений и прочности не дают верных представлений об этих характеристиках, поскольку сечение образца в момент разрыва сильно отличается от исходного. Для хрупких же материалов, например, сильно наклѐпанных металлов, у которых в момент разрыва сечение мало изменяется, такой метод может дать представление об истинной практической прочности.

Необходимо также сделать замечание, касающееся термина «временное сопротивление». Прочность является функцией времени нахождения под нагрузкой, что не отражается на диаграммах деформации. При кратковременном воздействии один и тот же образец может выдержать гораздо большие нагрузки, чем при длительном. При низких температурах (< 0,3Тпл) влияние времени менее ощутимо, чем при высоких. Поэтому для низких температур предел прочности можно считать с достаточной точностью характеристикой материала без указания времени испытания. При высоких температурах обязательно указывается время испытания, и термин «временное сопротивление» является более подходящим по смыслу, чем термин «предел прочности».

Определение истинных напряжений имеет особое значение для прочностных расчѐтов, технологии обработки металлов и анализа протекающих в металле процессов.

Таким образом, при испытании на растяжение деформация образца сначала является макроупругой. При дальнейшем нагружении деформация постепенно переходит в пластическую, происходящую по дислокационному механизму. Накопление дислокаций приводит к упрочнению металла, а при значительной их плотности – к развитию трещин и его разрушению.

Изменяя формы образца и виды нагружения подобным образом определяют характеристики материала при изгибе, сжатии, кручении и других видах механических испытаний.

3.2.2. Твѐрдость металлов

Твѐрдость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твѐрдого или, другими словами, оказывать сопротивление пластической деформации. В силу быстроты, простоты, малой стоимости определений, а также возможности судить о свойствах изделия без его разрушения, измерение твѐрдости получило распространѐнное применение для контроля качества металла в изделиях.

Для определения твѐрдости, а точнее, макротвѐрдости, в промышленности широко используются методы Бринелля, Роквелла и Виккерса (Бринелль – шведский инженер, Роквелл – американский металлург, «Виккерс» – название

британского концерна). Определение твѐрдости по методу Бринелля основано на вдавливании в плоскую чистую и гладкую поверхность металла под постоянной нагрузкой твѐрдого стального шарика. Твѐрдость выражается отношением приложенной нагрузки к площади сферической поверхности отпечатка. Практически для определения твѐрдости измеряют диаметр отпечатка и по нему находят значение твѐрдости в прилагаемых к прибору таблицах.

Нагрузку Р и диаметр шарика D выбирают в зависимости от испытуемого материала. Так, при испытании стали и чугуна устанавливают шарик диаметром 10 мм и Р = 3 000 кгс, при испытании меди и еѐ сплавов D = 10 мм, Р = 1 000 кгс, а при испытании алюминия, баббитов и других очень мягких металлов D = 10 мм, Р = 250 кгс. Толщина испытуемых образцов должна быть не менее 10-кратной глубины отпечатка.

Между числом твѐрдости (НВ), по Бринеллю, и временным сопротивлением ζВ установлена зависимость, приведѐнная в табл. 2.

Таблица 2. Зависимость между твѐрдостью по методу Бринелля и временным сопротивлением

Количественные зависимости между числами твѐрдости НВ и другими механическими характеристиками металла соблюдаются в меньшей степени.

Способом Бринелля не удаѐтся испытывать материалы с числом твердости НВ более 450 кгс/мм2, поскольку стальной шарик может деформироваться, а также измерять твѐрдость тонких поверхностных слоев, так как шарик этот слой продавливает.

Принципиальное отличие измерения твѐрдости по Роквеллу (НR) от способа Бринелля заключается в том, что твѐрдость определяют не по диаметру отпечатка, а по его глубине. Инденторами служат алмазный конус с углом при вершине, равным 120o, или стальной закалѐнный шарик диаметром 1,5875 мм. Шарик применяют при испытании мягких материалов, а алмазный конус – твѐрдых. Твѐрдость, по Роквеллу, измеряется в условных единицах. За единицу твѐрдости принята величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм. Значение твѐрдости сразу считывается по шкале индикатора. Прибор снабжѐн тремя шкалами – A, B и C.

При испытании материалов с высокой твѐрдостью применяется алмазный конус и нагрузка 150 кгс. Твѐрдость определяют по шкале С и обозначают HRC с указанием числа твѐрдости, например, HRC 60. При испытании очень твѐрдых материалов (более HRC 70) применяют нагрузку 60 кгс, так как вдавливание алмазного конуса с большой нагрузкой может привести к выкрашиванию

алмаза. Твѐрдость отсчитывается по шкале А и обозначается HRA. Стальной шарик применяют при испытании мягких материалов и нагрузке 100 кгс. Твѐрдость отсчитывается по шкале В и обозначается HRB. Толщина образца при испытании способом Роквелла должна быть не менее 1,5 мм.

Пределы измерения твѐрдости по шкалам следующие: для шкалы А от 70 до 85 единиц, для шкалы С – от 20 до 67 единиц, для шкалы В – от 25 до 100 единиц. Между числами твѐрдости по методам Роквелла и Бринелля, установлена следующая приблизительная зависимость: HB = 10 HRC.

Измерение твѐрдости (HV) по Виккерсу, основано на вдавливании под действием нагрузки четырѐхгранной алмазной пирамиды с углом между противоположными гранями при вершине 136○. Твѐрдость по методу Виккерса выражается отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и может быть вычислена с помощью специальных таблиц по среднеарифметическому значению длин обеих диагоналей отпечатка, измеряемых после снятия нагрузки, или по формуле:

НV = 1,854 (P/d2),

где Р – нагрузка;

d – среднеарифметическое значение длин диагоналей.

В зависимости от испытуемого материала нагрузку выбирают в пределах от 1 до 100 кгс.

Метод используют для измерения твѐрдости тонких поверхностных слоѐв, так как диагонали отпечатка примерно в 7 раз больше его глубины, и даже при небольшой глубине вдавливания пирамиды отпечаток получается четким. Испытуемая поверхность должна быть тщательно отшлифована или даже отполирована. Значения твѐрдости, по Виккерсу и Бринеллю, имеют одинаковую размерность и до величины НВ, равной 450, практически совпадают.

Представляет интерес не только «усреднѐнная» твѐрдость – макротвѐрдость, определяемая методами Бринелля, Роквелла и Виккерса, но и твѐрдость отдельных фаз и структур сплава – микротвѐрдость. Микротвѐрдость (Н) определяют вдавливанием алмазной пирамиды на приборах типа ПМТ-3. Применяют различные типы алмазных наконечников. Наиболее широко используют четырѐхгранную пирамиду с углом между гранями при вершине 136о. В зависимости от особенностей изучаемой структуры применяют грузы от 5 до 500 гс.

Числа микротвѐрдости определяют с помощью таблиц по средней длине обеих диагоналей отпечатка. Числа твѐрдости в таблице вычислены по формуле Н = 1,854·(P/d2), т. е. по той же формуле, что и твѐрдость, по Виккерсу, и представляют, следовательно, числа твѐрдости по методу Виккерса.

3.2.3. Ударная вязкость

Для материалов, применяемых в условиях ударных нагрузок, большое значение имеет такая характеристика прочности, как удельная ударная вязкость (сопротивление удару), которая представляет собою отношение величины работы, затрачиваемой на разрушение образца при испытании ударной (динамической) изгибающей нагрузкой, к площади поперечного сечения

образца в ослабленном специальным надрезом месте разрушения. Для испытаний изготавливают стандартные образцы квадратного сечения с надрезом (концентратором напряжения) посередине.

Метод основан на разрушении этого образца одним ударом маятникового копра, по шкале которого определяют работу разрушения, затраченную на излом образца. Образец помещается на опоры маятникового копра так, чтобы удар приходился с противоположной стороны надреза.

Исключительное значение ударной вязкости заключается в том, что эта характеристика является чрезвычайно чувствительной к самым незначительным изменениям в структуре металла, едва заметным даже при электронномикроскопическом исследовании. Ударная вязкость резко снижается с увеличением размера зерна и при выделении по границам зѐрен хрупких фаз. Так, например, если чистые никель или железо имеют ударную вязкость 15–20 кгс м/см2, то при содержании в этих металлах сотых долей процента серы, располагающейся в виде сернистых никеля или железа по границам зѐрен, ударная вязкость при комнатной температуре падает в несколько раз. При повышенных температурах, соответствующих оплавлению сернистых прослоек (выше 625 oС для никеля и выше 940 oС для железа), ударная вязкость становится настолько малой величиной, что металл разваливается даже под действием собственной тяжести.

Удельная ударная вязкость, в зависимости от вида концентратора напряжения, обозначается символами KCU, KCV или KCT. Первые две буквы КС обозначают ударную вязкость, а буквы U, V и T – вид концентратора напряжения: U – образец с U-образным надрезом радиусом, равным 1 ± 0,07 мм; V – образец с V-образным надрезом радиусом величиной 0,25 ± 0,025 мм; Т

– образец с нанесѐнной трещиной усталости. Испытания образцов с концентраторами напряжений V и T проводят в случае использования металлов и сплавов для ответственных конструкций. Испытания выполняют при температуре +20 oС.

Разрушение бывает вязким (со значительной пластической деформацией) и хрупким, не сопровождающимся заметной пластической деформацией. Молибден, α-железо, вольфрам, цинк и многие другие металлы в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры приводит к переходу от вязкого характера разрушения к хрупкому (хладноломкость). Температура, при которой происходит переход одного вида разрушения в другой, получила название критической температуры хрупкости, или порога хладноломкости. Порог хладноломкости зависит от структуры металла, вида концентраторов напряжения и других факторов, т. е. не является постоянной материала. Испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению.

Хладноломкость не включается в систему факторов, определяющих надѐжность конструкции, однако является очень важной характеристикой, поскольку позволяет рекомендовать температуры, ниже которых применять материал нельзя.

3.2.4.Усталость металлов

Втехнике часто приходится сталкиваться с так называемой усталостью металлов, возникающей под действием переменной нагрузки и приводящей к преждевременному разрушению деталей машин и конструкций. Усталость металлов – разрушение в результате многократных повторных нагружений, т. е. от циклической нагрузки ζ. Эта нагрузка должна быть ниже предела текучести ζ0,2. Для усталостного разрушения некоторых сталей достаточно напряжения в

(0,45–0,50) ζ0,2.

Процесс разрушения связан с накоплением дефектов в кристаллической решѐтке, приводящим сначала к местному разрушению – возникновению микротрещин. Первоначально процесс развивается медленно, а затем, когда живое сечение образца ослабнет настолько, что напряжения превысят предел текучести, происходит внезапное разрушение.

Для характеристики степени утомляемости материала введено понятие

предела усталости или предела выносливости – максимального напряжения,

которое выдерживает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе циклов нагружения. Для железа и его сплавов обычно берут 10 млн. циклов нагружения, для цветных металлов – 100 млн.

На усталостную прочность стали, кроме структуры, сильное влияние оказывает качество поверхности образца. Упрочнѐнная химико-термической обработкой или полированная поверхность, для которой характерно уменьшение количества и глубины надрезов, являющихся концентраторами напряжений, обладает существенно более высоким пределом выносливости по сравнению с необработанной поверхностью. Вместо дорогостоящей полировки часто используется обдувка изделий мелкой стальной или чугунной дробью. Эта операция не только устраняет мелкие неровности на поверхности, но и создаѐт в поверхностном слое напряжения сжатия, т. е. напряжения, обратные напряжениям растяжения в эксплуатации. Обдувка дробью в несколько раз повышает долговечность изделий.

Металл может разрушаться также под действием многократных повторных температурных напряжений. Это явление получило название термической усталости. При быстром нагреве наружные слои детали оказываются в сжатом состоянии, а внутренние – в растянутом. При охлаждении знак напряжений меняется. В конечном счѐте деталь разрушается.

Существовавшее мнение «если прочнее вообще, то прочнее и при усталости» не подтвердилось. Поэтому испытание на усталость очень важно. Схему испытаний желательно выбирать ближе к условиям нагружения реальной конструкции, с учѐтом температуры и агрессивности среды.

3.3.Влияние температуры на прочностные и пластические свойства металлов. Ползучесть, длительная прочность

Так как многие узлы машин и конструкций работают при очень высоких или очень низких температурах, необходимо знать зависимость свойств металлов от температуры. С понижением температуры свойства изменяются следующим образом: как правило, предел прочности, пределы упругости и