Циклические испытания металлов. Кривая усталости. Предел выносливости

Многие детали автомобиля (оси, коленчатые валы) работают в условиях действия повторно-переменных или знакопеременных нагрузок. Металл под действием циклических нагрузок может уставать и разрушаться.

Рис.2.5. Вид усталостного излома при циклических испытаниях.

Усталостный излом имеет две зоны: притертая зона с полукольцами от каждого цикла, которые приводят к очагу разрушения (трещине, хрупким включениям оксидов, нитридов, карбидов и т. п.), и зона долома - она всегда шероховатая. Сопротивление металла усталостному разрушению характеризуется пределом выносливости σ_-1 - это максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после произвольно большого или заданного (базового) числа циклов нагружения. За базу принимают: для стали 5 млн. циклов, для цветных металлов 20 млн. циклов.

σ_-1 зависит от:

1) размера детали, чем она крупнее, тем предел выносливости ниже;

2) чистоты поверхности детали, поверхностные надрезы, глубокие царапины, коррозия - резко снижают предел выносливости.

Пути повышения предела выносливости:

Поверхностное упрочнение детали и образование при этом на поверхности сжимающих остаточных напряжений способствуют повышению предела выносливости. Этого можно добиться;

а) поверхностной закалкой ТВЧ;

б) химико-термической обработкой (цементацией, азотировани­ем);

в) дробеструйной обработкой (поверхностный наклёп).

2.2.3. Определение твёрдости

Твёрдостью называется сопротивление металла вдавливанию инородного тела, называемого индентором. Этот индентор вдавливается в металл под нагрузкой Р.

Для определения твердости используют методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Метод Бринелля. Индентором служит стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5,0 и 10 мм. При испытании стали и чугуна обычно D=10mm и P= 3000кг. Для цветных сплавов на основе алюминия, меди, никеля и др. P= (1000кг.), при испытании мягких металлов (олово, свинец и т.д.) P= (250кг.).

Но, как правило, твердость не рассчитывают, так как рассчитать площадь лунки F очень трудно. На практике замеряют только диаметр отпечатка (лунки) и по нему в прилагаемых к прибору таблицах смотрят твердость. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость, и наоборот. Между пределом прочности и НВ существует зависимость: для стали и алюминиевых сплавов для, медных сплавов

Бринелль

Предел измерений твердости по Бринеллю - до 450 кг/мм, выше нельзя, так как шарик будет деформироваться. Тогда измеряют твердость по Роквеллу.

Метод Роквелла (рис. 2.3). Сущность метода заключается во вдавливании в металл индентора - наконечника с алмазным конусом, имеющим угол у вершины 120° (шкалы А и С), или со стальным закаленным шариком диаметром 1,58 мм (шкала В).

Рис.2.3. Роквелл.

Алмазный конус - твердый материал, и поэтому предела измерений твердости не имеет. Общая нагрузка на индентор равна:

Определение твердости по этому методу заключается в измерении по шкале прибора глубины внедрения индентора после снятия нагрузки.

Твердость по Роквеллу - безразмерная величина. Условно за единицу твердости принимают погружение индентора на глубину 0,002 мм.

Метод Виккерса индентором служит четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136°, нагрузка – 10…1000 Н (Рис.8б). Твердость рассчитывают по среднему арифметическому диагоналей отпечатка d (мм) по формуле: НV= 0,189 Р/d2 (МПа) или определяют по таблицам. Метод применяют для деталей малых сечений и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Рис. 2.4. Виккерс

Глава 3. ПЛАСТИЧЕСКАЯ ДЕФОРМАЦИЯ

3.1. Пластическая деформация. Влияние пластической деформации на свойства сталей. Явление наклёпа. Влияние наклёпа на структуру и свойства металлов. Механизмы пластической деформации.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под воздействием приложенной нагрузки. Сила, приложенная к телу, обычно не перпендикулярна к нему, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения подразделяют: на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные).

Первая составляющая вызывает нормальные растягивающие напряжения, которые приводят к хрупкому разрушению металла путем отрыва без заметных признаков пластической деформации. Касательные составляющие вызывают касательные напряжения τ, которые приводят к пластической деформации, заканчивающейся вязким разрушением.

Пластическая деформация в металле осуществляется путем: скольжения, двойникование и межзеренного перемещения.

Скольжение происходит путем перемещения (скольжения) одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений τ (рис. 3.1.).

Рис.3.1. Схема пластической деформации скольжением.

Легче всего скольжение идёт по плоскостям, наименее густо усеянным атомами, так как она наиболее удалены друг от друга, и поэтому их легче сдвинуть друг относительно друга.

Большую роль в скольжении играют дислокации - они облегчают скольжение (рис.3.2).

Рис.3.2. Движение линейной дислокации, приводящее к образованию ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла

Под действием τ разрывается связь между атомами 1 и 2 в плоскости скольжения и возникает связь между атомами 2 и 3. В результате дислокация продвигается вперед на одно межатомное расстояние и т.д. - это элементарный акт пластической деформации. При выходе дислокации из кристалла на поверхности его образуется уступ (ступенька) в один период решетки. Под действием τ срываются новые атомные плоскости и образуются новые ступеньки единичного сдвига на поверхности кристалла. Следовательно, для продвижения дислокации не нужно разрывать связь между всеми атомами в плоскости скольжения, разрывается связь между атомами только у края дислокации. Этим и объясняется, что реальная прочность металла значительно ниже теоретической прочности.

Под теоретической прочностью металла - понимают сопротивление металла пластической деформации и разрушению, которое должно быть в металле, исходя из того, что при этом одновременно разрывается связь между всеми атомами в плоскости скольжения. Например, теоретическая прочность для железа равна 1340 кг/мм, а реальная прочность для железа составляет 30 кг/мм. Такая большая разница объясняется тем, что при движении дислокации нужно разрушать связь между атомами только у края дислокации и, следовательно, усилия для этого потребуются значительно меньшие.

Двойникование - это зеркальнообразное перемещение одной части кристалла относительно другой под действием касательных напряжений (рис.3.3).

Рис.3.3.Схема пластической деформации двойникованием

Межзёренное перемещение (рис. 3.4). Под действием растягивающего усилия Р деформация пойдёт прежде всего в 1 зерне, где направление легкого скольжения совпадает с действием силы Р. Оно вытягивается, а соседние зёрна при этом поворачиваются до тех пор, пока направление легкого скольжения не совпадет с Р, а затем пойдет и в них деформация и т.д.

В результате после деформации получим волокнистую структуру (рис. 3.4,б), и механические свойства в разных направлениях будут неодинаковы. Вдоль действия силы Р пластичность будет выше, а поперек - ниже, при этом прочность σ_в будет меняться наоборот. Различие механических свойств, вдоль действия силы (прокатки) и поперек - это анизотропия механических свойств. Может оказаться, что в направлении действия силы выстраиваются только плоскости легкого скольжения, и это называется текстурой деформации.

Рис.3.4. Изменение структуры в металле под действием пластической деформации

Явление наклёпа. (деформационное упрочнение) Под действием пластической деформации меняется структура, а следовательно, должны меняться и свойства (рис. 3.5).

Рис.3.5. Влияние степени деформации на механические свойства металла

Наклеп (нагортовка) - это повышение прочностных свойств за счет снижения пластических под действием деформации. Наклеп объясняется:

1) повышением плотности дислокаций;

2) искажением кристаллической решетки;

3) дроблением зерен;

4) образованием мелкоячеистой субструктуры;

5) повышением плотности вакансий.

Степень пластическойдеформации определяется по формуле:

3.2. Назначение рекристаллизационного отжига. Первичная и собирательная рекристаллизация. Понятие о критической степени деформации.

Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла

Если всю энергию, затраченную на деформацию, принять за 100%, то 90% уходит в тепло, а 10% остается в металле, то есть энергия Гиббса в нем на 10% выше. Поэтому структура после деформации неустойчива и в определенных температурных условиях, когда появляется диффузионная подвижность атомов, идет переход к более устойчивой зернистой структуре - рекристаллизация.

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры.

При нагреве в металле идут следующие процессы:

1) отдых металла (возврат первого рода);

2) возврат второго рода (полигонизация);

3) первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки);

4) собирательная рекристаллизация;

Отдых металла (возврат первого рода). Наблюдается до 0,2 Т_пл К^о. При этом подвижность приобретают точечные дефекты (вакансии и дислоцированные атомы) и происходит уменьшение плотности этих дефектов. Механические свойства и структура не меняются, но некоторые физические свойства, такие как электропроводность, полностью восстанавливаются, хотя изменений в микроструктуре нет.

Возврат второго рода (полигонизация). Наблюдается при температурах до 0,3 Т_пл, К^о. При этом подвижность приобретают дислокации. Полигонизация идет только в изогнутых кристаллах, где наблюдается избыток дислокации одного знака (рис. 3.6,а). После деформации дислокации распределяются произвольно, статистически. При нагреве они приобретают подвижность и выстраиваются в ряды - стенки (субграницы), образуя как бы многоугольник (polygon - многоугольник) (рис. 3.6,б). В результате получаем полигональную структуру. При дальнейшем повышении температуры субзерна растут. Далеко зашедшая полигонизация есть начальная стадия рекристаллизации.

Рис.3.6. Схема полигонизации в деформированном металле

Первичная рекристаллизация (рекристаллизация обработки). Наблюдается при более высоких температурах, например для чистых металлов (0,3...0,4) Т_пл, К^о. При этом приобретают диффузионную подвижность атомы и наблюдаются изменения в микроструктуре, то есть наряду с вытянутыми деформированными зернами появляются равноосные рекристаллизованные зерна - это температура начала рекристаллизации Тн р. (рис. 28).

Рис.3.7. Микроструктуры после деформации (а) и рекристаллизации (б)

При повышении температуры количество равноосных зерен увеличивается, а деформированных уменьшается. Температура, когда полностью исчезают деформированные зерна, называется температурой конца рекристаллизации Т_кр. Равноосные зерна имеют более совершенное кристаллическое строение и более низкую плотность дислокаций.

В деформированном металле образуются зародыши рекристаллизованной фазы. У них энергия на 10% ниже, а вокруг энергия на 10% выше, и эти зародыши самопроизвольно растут с понижением энергии. В результате после рекристаллизации получаем структуру с равноосными рекристаллизованными зернами (рис. 3.7,6).

Образование и рост равноосных зерен с более совершенным кристаллическим строением, окруженных высокоугловыми границами, за счет деформированных зерен той же фазы называется первичной рекристаллизацией. Зародышами для рекристаллизации являются более крупные субзерна с более совершенным кристаллическим строением.

Рекристаллизация - это диффузионный процесс, и поэтому сильно зависит от температуры. Температура начала рекристаллизации определяется по формуле Т_нр =α Т_пл (Температуры в градусах Кельвина), где α - коэффициент, зависящий от химического состава и структуры, для чистых металлов, α = 0,3...0,4; для твёрдых растворов α = 0,5...0,6.

Температура начала рекристаллизации зависит от:

а) продолжительности отжига. В сильно деформированном металле с увеличением времени отжига Т_нр понижается и через 1…2 часа достигает постоянной величины.

б) степени деформации. С увеличением ее Т_нр понижается.

в) наличия примесей. Чем чище металл тем ниже Т_нр.

Собирательная рекристаллизация.

После первичной рекристаллизации мы получаем мелкозернистую структуру. При дальнейшем нагреве эти зёрна самопроизвольно растут более или менее равномерно. При этом поверхность границ зёрен, а следовательно, и энергия Гиббса, уменьшаются. Уровень механических свойств после рекристаллизации зависит от размера зерна. С увеличением температуры и времени отжига размер зерна увеличивается и КС понижается. Кроме того, размер зерна зависит от степени пластической деформации. ε_кр для разных металлов находится в пределах от 3 до 15%.

При деформации со степенью обжатия меньше ε_кр рекристаллизация не идет, так как степень обжатия небольшая и заметных изменений в микроструктуре еще нет. При деформации с обжатием выше ε_кр в металле идет рекристаллизация, причем чем больше степень обжатия, тем больше возникает зародышей, размер зерна уменьшается.

При ε_кр мы получаем самое крупное рекристаллизованное зерно, что приводит к резкому охрупчиванию металла. С повышением температуры отжига диффузионная подвижность атомов возрастает и размер рекристаллизованного зерна увеличивается, а ε_кр уменьшается. На рис. 3.8 показано изменение механических свойств при рекристаллизации.

Рис.3.8. Влияние нагрева на механические свойства металла упрочнённого холодной деформацией.

Т₁, - перегрев за счет собирательной рекристаллизации. Зерна укрупняются, и при этом резко падает ударная вязкость;

Т₂ - пережог идет процесс окисления по границам зерен, и механические свойства ухудшаются катастрофически.

Дата добавления: 2014-01-11