Механические свойства металлов

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

скачать книгу Механические свойства металлов

концы разойдутся, а скачкообразно возникающая при этом растягивающая деформация может вызвать появление трещины. Картина, наблюдаемая в реальном кристалле цинка (см. рис. 55, в), очень близка к описанной схеме.
...
Часто зарождение трещин наблюдается в месте встречи двойника деформации с каким-либо прочным барьером, например границей зерна или другим двойником (рис. 56, а).
...
В условиях сильно развитой межзеренной деформации увеличивается вероятность зарождения трещин на границах перемещающихся один относительно другого кристаллитов. Рассмотрим стык трех зерен (рис. 57, а)
...
сплуатации детали. Учитывая наличие трещин, механика разрушения устанавливает количественную связь между действующим на тело напряжением, формой и размерами трещин и сопротивлением материала докритическому (стабильному) н закритическому (нестабильному) развитию этих трещин.
...
Современная механика разрушения является развитием известной теории хрупкого разрушения Гриффитса. Он ис
...
ходил из того, что в материале всегда имеются уже готовые трещины, и проанализировал условия, при которых эти трещины будут развиваться как хрупкие, т. е. нестабильно, с большой скоростью.
...
В теории Гриффитса и в механике разрушения обычно рассматривается растягиваемая изотропная бесконечная пластина конечной толщины* в которой имеется эллиптическая трещина с радиусом закругления /*, стремящимся к нулю (рис. 58). Если длина 2с
...
пряженное состояние, и в этом случае упругая энергия, выделяющаяся при росте трещины, будет равна UE~
...
всегда предшествует зарождению трещины и проходит в более или менее узкой зоне у вершины трещины, где напряжения превышают необходимые для начала пластической деформации. Таким образом, поскольку в металлических материалах невозможно идеально хрупкое разрушение, критерий Гриффитса требует изменений.
...
Таким образом, при распространении хрупкой трещины в металлах должно соблюдаться равенство выделяющейся энергии упругой деформации и работы пластической деформации. Поскольку уПл
...
тензора напряжений, действующие на элементарный параллелепипед, расположенный иа расстоянии / от фронта трещины, если / образует с осью х
...
Уравнения (44) дают хорошее приближение в области, где величина / мала по сравнению с длиной трещины и размерами пластины. Поэтому механику разрушения, рассматривающую поле напряжений в этой узкой области, называют линейной. Формулы линейной механики разрушения (44) неприменимы при /=0, так как в этом случае дают бессмысленный результат — бесконечно большие значения напряжений.
...
В зависимости от толщины растягиваемой пластины у вершины трещины реализуются, как уже отмечалось, различные виды напряженного состояния. Если пластина достаточно толстая и возникает плоское деформированное состояние, то поперечной деформации вдоль оси г
...
Легко показать, учитывая уравнение (42), что он связан с энергетическим критерием: G=*K2/E
...
Возможны три типа смещения поверхностей трещины друг относительно друга (рис. 59). Тип I раскрытия трещин под действием растягивающих напряжений является наиболее практически важным. Поэтому из трех возможных
...
Рис. 59- Типы взаимного смещения поверхностей трещины в зависимости от направления действия напряжений (показаны
...
Рис. 59- Типы взаимного смещения поверхностей трещины в зависимости от направления действия напряжений
...
ных пределах константой материала: он ие зависит от геометрии образца (конструкции), размеров трещины, величины напряжения и
...
На рис. 61 показана модель пластической зоны по Мак-клинтоку — Ирвину для случая, когда внутри пластины у вершины трещины возникает плоское деформированное (объемное напряженное) состояние (ПДС), а вблизи поверхности — плоское напряженное состояние (ПНС). По
...
Если величина приложенного напряжения близка к пределу текучести материала (5>*0,6 5Т), то пластическая деформация будет идти в большом объеме у вершины трещины, и линейная механика разрушения, в частности уравнения (49), (50), оказывается неприменимой. Тогда используют нелинейную механику разрушения, учитывающую общую пластическую деформацию разрушающегося тела. Разрушение в таких условиях типично для многих металлических конструкционных материалов.
...
В нелинейной механике разрушения тоже рассматривается пластическая зона шириной гпл
...
Расширение пластически деформирующейся области вблизи вершины трещины по мере увеличения приложенного извне напряжения связано с раскрытием трещины 6\
...
Вязкое разрушение происходит обычно после значительной пластической деформации (десятки процентов). Его главными особенностями являются медленное развитие трещин и высокая энергоемкость, обусловленная необходимостью затраты значительной работы пластической деформации у вершины трещины. Поэтому вязкое разрушение— наименее опасный, можно сказать, желательный вид разрушения, и ему уделяют не так много внимания, как хрупкому. Тем не менее анализ вязкого разрушения очень ва-
...
жен. Он позволяет, в частности, лучше понять механизм хрупкого разрушения и наметить меры его предотвращения. Вязкое разрушение важно при анализе поведения металлов в условиях обработки давлением, где создаются значительные пластические деформации, и разрушение, в том числе вязкое, недопустимо.
...
Вязкое разрушение в зависимости от материала, геометрии образца, способа и условий нагружения развивается различными способами. Поэтому соответствующая макрогеометрия поверхности разрушения также может сильно различаться (рис. 63, 64).
...
(медь, серебро) образующаяся при растяжении шейка сужается до острия в цилиндрическом или лезвия в плоском образце (см. рис. 63, б,
...
Наиболее характерным примером вязкого разрушения является образование «чашечного» излома в шейке растягиваемого образца (см. рис. 63,6\
...
микронных размеров уже легко выявляются при металлографическом анализе (рис. 65). На начальной стадии вязкого разрушения типичным является наличие множества мелких трещин (пор), концентрирующихся в основном в центральной части сечения шейки (см. рис. 64, а).
...
зование этой центральной трещины — результат разрушения путем макроотрыва. Дальнейший ее рост происходит за счет присоединения новых пор при разрыве перемычек между ними и основной трещиной.
...
Для того чтобы понять, почему разрушение на начальных стадиях локализуется в центральной части шейки, необходимо проанализировать распределение
...
напряжений по сечению шейки. Как видно из рис. 66, вблизи центра образца все напряжения максимальны. Особенно велико здесь
...
продольное растягивающее напряжение Si, в то время как касательные напряжения распределены более равномерно. В результате трещины возникают и развиваются в средней части сечения шейки, и здесь же происходит разрушение путем отрыва с образованием центральной трещины.
...
По достижении центральной трещиной периферийных слоев шейки все напряжения локализуются в этих неразрушенных периферийных участках. Скорость распространения трещины резко возрастает, меняется и направление ее развития. Это направление может оказаться различным в зависимости от структуры и свойств материала. Если дальнейший рост трещины будет идти путем локального сдвига в плоскостях, наклоненных под углом ~45° к оси растяжения, то в результате появления все новых полос сдвига при развитии центральной трещины (см. рис. 64, в) образуется излом в форме «двойной чашечки» (см. рис. 64, г),
...
Но рост трещины путем непрерывного образования новых полос сдвига не всегда возможен. Вместо этого в технической меди, латуни и мягкой стали после возникновения центральной трещины и начала формирования полос сдвига в периферийной зоне шейки внутри этих полос зарождаются новые трещины. В дальнейшем деформация сосредоточивается в ослабленных несплошностями полосах сдвига (см. рис. 64, д)
...
Поскольку зарождение трещин при вязком разрушении металлических материалов чаще всего происходит у включений избыточных фаз, величина пластической деформации перед разрушением сильно зависит от их количества. Из рис. 67 видно, как чувствительно относительное сужение меди к объемной доле частиц различных избыточных фаз. Таким образом, уменьшение числа таких частиц — один из эффективных методов задержки вязкого разрушения. При наличии инородных включений, что в большинстве случаев неизбежно, зарождение трещин можно в значительной мере подавить наложением всестороннего (гидростатического) давления на растягиваемый материал. В этом случае эффект достигается за счет уменьшения жесткости схемы напряженного состояния.
...
Зародившиеся у включений вязкие трещины при обнаружении их в световом микроскопе имеют сначала довольно равноосную форму, но по мере продолжения деформации они растут, вытягиваясь вдоль оси растяжения.
...
Следует отметить, что в очень чистых металлах, где Практически отсутствуют включения избыточных фаз, а также в металлических материалах технической чистоты еще до начала формирования шейки может идти зарождение трещин в результате пластической деформации у границ зерен, дислокационных и других барьеров, а также
...
внутри полос скольжения. По данным В. И. Бетехтина и Ф. Шмидта, в приповерхностных слоях деформированных поликристаллических образцов из чистых алюминия и никеля плотность субмикротрещин размером (1-нЗ)-10~5 см составляет 1010—1012 см~3. Многие из них в дальнейшем залечиваются, а некоторые растут.
...
инициируется напряжениями от скользящих неподалеку дислокаций. Модель Паркера (см. рис. 68, б)
...
Важной особенностью вязкого разрушения является образование и рост множества микротрещин, некоторые из которых сливаются друг с другом. При этом в металлах проходит существенная пластическая деформация перемычек, разрушающихся при слиянии соседних микротрещин. Эта деформация может быть значительно больше, чем вдали от трещин.
...
Вязкое разрушение бывает, как правило, внутризереи-ным. Даже если трещина зарождается у границы зерна, при дальнейшем росте траектория ее движения проходит по телу кристаллита.
...
Рассмотренные особенности вязкого разрушения отражаются на структуре поверхности разрушения. При визуальном осмотре невооруженным глазом она обычно матовая, неровная, часто со следами пластической деформации в виде грубых полос скольжения. Тонкую структуру излома выявляют с помощью фрактографического анализа — исследования структуры поверхности разрушения в световом и просвечивающем (при помощи реплик) или сканирующем электронном микроскопах. Фрактографический анализ, получивший широкое развитие в последние годы, дает важную информацию о механизме разрушения. На рис. 69 показаны типичные примеры микроструктуры вязкого излома. У него характерный рельеф, образуемый совокупностью отдельных ямок. Диаметр их колеблется в диапазоне 0,5—20 мкм. Глубина ямок, характеризующая размеры области интенсивной пластической деформации, на вязком изломе в зоне макроотрыва может быть довольно велика
...
(несколько микрометров). Ямки на поверхности вязкого излома являются результатом образования, роста и слияния множества микропор (трещин). На поверхности разрушенных перемычек, а также на дне некоторых пор часто видны линии скольжения, образовавшиеся при пластической деформации перед разрушением. На дне многих ямок выявляются частицы избыточных фаз (включения сульфи-
...
С практической точки зрения хрупкое разрушение гораздо важнее, чем вязкое. Это наиболее опасный внд разрушения, идущий катастрофически быстро и под действием сравнительно низких напряжений. Поэтому сведения о механизме хрупкого разрушения и условиях, которые ему способствуют или его затрудняют, особенно важны.
...
Как уже отмечалось, металлы и сплавы идеально хрупко (без предшествующей пластической деформации) не разрушаются. Хрупкая трещина так же, как и вязкая, возникает по современным воззрениям в результате пластической деформации. Развитие ее происходит в основном на закрнтической стадии в отличие от вязкой трещины, развитие которой идет стабильно.
...
Хрупкая трещина при внутризеренном (транскристал-литном) разрушении (трещина скола) обычно распространяется вдоль кристаллографической плоскости с малыми индексами. Например, в металлах с г. п. решеткой — по плоскости базиса, в о. ц. к. решетке — вдоль {001}, иногда, например в ванадии и
...
При межзеренном (интеркристаллитном) разрушении трещина в однофазных материалах распространяется по поверхности границ зерен, а при наличии на границах второй фазы — вдоль межфазной поверхности илн вдоль поверхности скола внутри включений. В зависимости от характера распространения трещины структура поверхности разрушения получается различной. Структура поверхности скола при узкой пластической зоне у вершины развивающейся хрупкой трещины резко отличается от вязкого излома. При простом осмотре хрупкий излом обычно блестящий или имеет цвет фаз, расположенных по границам зерен. Под микроскопом видно, что внутрикристаллитный скол не идеально гладок. На поверхности его обычно имеются сту-
...
Появление ступенек в некоторых случаях связано с тем, что разрушение идет путем распространения одновременно нескольких параллельных трещин, которые соединяются друг с другом вследствие разрыва тонких перемычек. Но во многих случаях хрупкое разрушение происходит путем распространения одной трещины (этим оно тоже отличается от вязкого разрушения, при котором развивается множество трещин). В этом случае причиной образования уступов может быть, например, пересечение трещиной винтовых дислокаций, которые располагаются на пути распространения фронта трещины. Если она развивается вдоль кристалла (рис. 71, а)
...
В процессе развития трещины такие ступеньки -могут укрупняться. В результате пересечения множества дислокаций и слияния элементарных ступенек высотой Ъ
...
Другой возможный механизм возникновения ступенек на поверхности скола — появление зародышевой микротрещины в одной плоскости и ее постепенный переход в другую плоскость скола с образованием ряда уступов.
...
Краевые дислокации ие могут быть причиной образования ступенек: на малоугловых наклонных границах хрупкая трещина только меняет направление.
...
Рельеф межзеренного скола в однофазном металле или сплаве соответствует форме межкристаллитной границы. Обычно он относительно гладкий, а неровности имеют микроскопические размеры и не образуют каких-либо характерных рельефных особенностей (см. рис. 70, б). При наличии на границах зерен выделений избыточной фазы они легко выявляются в структуре излома (см. рис. 70, в).
...
извольные сечения, а фрактографический анализ может показать, что поверхность их сильно развита и они занимают значительную часть площади излома. Естественно, такие частицы будут резко облегчать хрупкое межкристал-литное разрушение. По микроструктуре излома можно установить, идет ли разрушение вдоль границы между матрицей и избыточной фазой (тогда выделения будут видны
...
по границам субзерен. В этом случае образуется своеобразный рельеф излома с так называемыми субинтеркристал-литными фасетками (см. рис. 70, д).
...
Для правильной трактовки сложных по структуре изломов целесообразно привлекать другие методы их оценки, помимо металлографического анализа. В частности, с помощью рентгеновских методов по интегральному ушире-нию интерференционных линий можно оценивать степень пластической деформации на поверхности разрушения н глубину пластически продеформированной области. Таким образом можно легко разделять хрупкий и вязкий излом с близкими металлографическими характеристиками (пластическая зона при хрупком разрушении имеет размеры
...
Эта классификация не является всеобъемлющей. В нес не включены изломы усталостного разрушения, разрушения при ползучести, изломы, образующиеся при разрушении в коррозионной среде. Поэтому табл. 11 классифицирует только разновидности изломов при однократном статическом и динамическом нагружении на воздухе при комнатной и близких к ней температурах.
...
Классификация базируется на трех подходах к оценке изломов: по энергоемкости, механизму разрушения и структуре излома. Основой является энергетический подход,'объединяющий все элементы классификации. С увеличением работы, затрачиваемой на развитие трещины (главным образом, работы пластической деформации), происходит переход от хрупкого к вязкому разрушению. В
...
Энергоемкость излома должна находиться в обратной зависимости от жесткости схемы напряженного состояния, отражающей условия иагружения. Действительно, с уменьшением коэффициента мягкости а
...
Классификация учитывает два уже известных нам способа формирования поверхности излома: 1) путем зарождения, роста и слияния множества микротрещин и 2) путем зарожедения трещины скола и ее распространение. По'шкале энергоемкости эти два способа перекрываются, и в результате как раз и наблюдаются структуры изломов, промежуточные между типично хрупкими и вязкими.
...
мости показателя пластичности технических металлов Й сплавов выделяется интервал температур перехода (рис. 72, А Гхр) от хрупкого разрушения (близкие к нулю показатели пластичности) к вязкому (значительные по величине показатели пластичности). Вместо интервала температур часто используют какую-то одну температуру
...
Температура хрупко-вязкого перехода чувствительна к содержанию примесей (особенно примесей внедрения в о. ц. к. металлах) и структуре материала.
...
Особо важным является хрупкое разрушение в тех случаях, когда оно происходит при достаточно высоких температурах (комнатной и выше). Металлы и сплавы, у которых температура перехода из пластичного состояния в хрупкое во многих случаях лежит выше комнатной, называют хладноломкими. Хладноломкость — проблема особенно острая для многих металлов и сплавов с о. ц. к. решеткой.
...
Для объяснения возможности перехода из хрупкого состояния в пластичное часто привлекают классическую схему А. Ф. Иоффе (рис. 73). На этой схеме сопоставляются температурные зависимости хрупкой прочности — сопротивления разрушению отрывом S0T
...
t У материалов с резкой температурной зависимостью предела текучести обычно наблюдается и сильная чувствительность 5Т к скорости деформации: увеличение скорости вызывает рост предела текучести (см. рис. 73, кривые / и Г).
...
Большинство современных теорий хрупкого разрушения так или иначе базируется на схеме Иоффе. При этом учитывается зарождение трещин в результате образования дислокационных скоплений и слияния групп дислокаций. Напряжения, необходимые для действия такого механизма зарождения трещин, меньше, чем напряжения, обеспечивающие развитие трещины как хрупкой. Поэтому если предел текучести меньше S0T
...
Основная опасность хрупкого разрушения в том, что оно идет под действием относительно низких напряжений. Основываясь на критерии Гриффитса и факторах, определяющих температуру перехода из хрупкого состояния в пластичное, можно в общем виде сформулировать принципиальные направления борьбы с хладноломкостью. В каждом конкретном случае они могут быть реализованы за счет: 1) изменения химического состава (очистка от примесей или легирование) и 2) воздействия на структуру через режимы плавки, кристаллизации, обработки давлением, термической обработки, спекания и т. д.
...
По Гриффитсу величина напряжения, при котором трещина распространяется как хрупкая, является функцией модуля упругости Е,
...
Как уже отмечалось, наибольшее практическое значение хрупко-вязкий переход при низких температурах имеет для металлов и сплавов с о. ц. к. решеткой, в первую очередь для железа и многих сталей. Склонность этих материалов к хрупкому разрушению связана с наличием в них примесей внедрения. В
...
гл. V). Кроме того, из-за низкой предельной растворимости примесей внедрения в о. ц. к. металлах уже при малых концентрациях образуются частицы избыточных фаз (карбидов, оксидов, нитридов и др.). Это также способствует хрупкому разрушению, особенно межзеренному при выделении частиц на границах зерен.
...
располагающихся на межзеренных границах — вот некоторые направления снижения склонности к хрупкому разрушению этих металлов через их структуру, а с точки зрения критерия Гриффитса — через длину трещины.
...
Длина зародышевой трещины обусловлена степенью концентрации напряжений у места ее возникновения. Если исходить из схем зарождения трещин у дислокационных
...
ного количества частиц второй фазы, расстояние между которыми будет достаточным для свободного перемещения дислокаций на ограниченные расстояния. Примером может служить торированный вольфрам [W+2 % (объемн.) Тп02]. Введение частиц диоксида тория в вольфрамовую матрицу (эти частицы располагаются в основном по телу зерен) снижает ТХр
...
При эксплуатации и даже простом хранении детали из некоторых высокопрочных металлических материалов, например закаленной стали, алюминиевых сплавов на основе систем А1—Zn—Mg и Al—Zn—Mg—Си, ряда титановых сплавов, могут разрушаться под действием низких напряжений без заметной предшествующей макропласти-ческой деформации. Такое разрушение через некоторое время после начала действия примерно постоянного напряжения ниже предела текучести (но выше некоторого порогового значения) при температурах, близких к комнатной, называют замедленным (иногда задержанным). Характерной особенностью замедленного разрушения является макрохрупкий излом.
...
Замедленное разрушение может проходить в различных средах (на воздухе, в воде и т. д.). Когда рассматривается замедленное разрушение в коррозионной среде, говорят о коррозионном растрескивании или коррозии под напряжением.
...
Замедленное разрушение, как и разрушение под действием возрастающей нагрузки, состоит из инкубационного периода, во время которого идет подготовка к зарождению трещин, периода докритического роста одной или нескольких трещин и периода закритического развития магистральной трещины, в результате которого деталь (образец) полностью разрушается. В отличие от разрушения в результате ползучести замедленное разрушение происходит при напряжениях выше некоторого порогового значения S»
...
териалов. Это могут быть и значительные остаточные напряжения, концентрирующиеся у каких-то неодиородно-стей структуры, водород, процессы распада твердого раствора в результате естественного старения н др. Важной и общей причиной замедленного разрушения является водородное охрупчивапие. Оно связано с резко различной растворимостью водорода в твердых металлах при высоких и низких температурах. Например, в железе при температуре солидуса растворяется водорода на пять порядков больше, чем при комнатной температуре. Поэтому попавший при плавке, обработке давлением, термической обработке или других «горячих» технологических операциях водород при низких температурах, когда его концентрация превысит з"ем
...
Замедленное разрушение конструкций инициируется наличием надрезов, трещин, перекосов, а также действием коррозионных и поверхностно-активных сред. Последние резко ускоряют зарождение и развитие трещин либо за счет анодного растворения металла в вершине трещины, либо за счет эффекта П. А. Ребиндера — адсорбции поверхностно-активных веществ, уменьшающих работу раскрытия трещины. Вне зависимости от трактовки механизма коррозионного растрескивания общим для разных материалов и сред является существенное — на порядки — уменьшение времени до разрушения в коррозионной среде по сравнению с воздухом. Этот эффект используется в практике механических испытаний на замедленное разрушение: для их ускорения'иагружение ведут в
...
Во многих случаях металлические материалы в конструкциях работают под статическими нагрузками. Поэтому для оценки механических свойств широко используются статические испытания, которые проводятся с применением разных схем напряженного состояния в образце. К основным разновидностям статических испытаний относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
...
Испытания на одноосное растяжение — наиболее распространенный вид испытаний для оценки механических свойств металлов и сплавов — сравнительно легко подвергаются анализу, позволяют по результатам одного опыта определять сразу несколько важных механических характеристик материала, являющихся критерием его качества и необходимых для конструкторских расчетов.
...
Методы испытания иа растяжение стандартизованы. Имеются отдельные стандарты на испытания при комнатной температуре (ГОСТ 1497'—73), при повышенных до 1473 К (ГОСТ 9651—73) и пониженных от 273 до 173 К (ГОСТ 11150—75) температурах. В них сформулированы определения характеристик, оцениваемых при испытании, даны типовые формы и размеры образцов, основные требования к испытательному оборудованию, методика проведения испытания и подсчета результатов.
...
Основными узлами любой испытательной машины являются приводное устройство, обеспечивающее плавное деформирование образца, и силоизмерительный механизм для измерения силы сопротивления образца создаваемой деформации.
...
роваиию растет давление масла в рабочем цилиндре. При этом усиливается просачивание жидкости через зазор между цилиндром и поршнем, и скорость деформирования уменьшается. Для ее поддержания на постоянном уровне необходим дополнительный регулятор, увеличивающий подачу жидкости в цилиндр пропорционально ее утечке. Непостоянство скорости деформирования существенно,
...
когда механические свойства испытываемого материала заметно зависят от нее, например при повышенных температурах.
...

Газовая сварка и резка металлов
Специальные стали
Трансформаторы для электродуговой сварки
Механические свойства металлов
Сварочный аппарат своими руками
Сварка на контактных машинах
Краткий справочник технолога-термиста

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Механические свойства металлов