Нормативные и расчетные сопротивления

Работа стали на сжатие. При работе на сжатие металл ведет себя, как и при растяжении. Значения предела текучести, модуля упругости и длины площадки текучести, равняются таким же показателям при растяжении.

То есть, стали хорошо работают как на растяжение, так и на сжатие. Это очень важная особенность.

Основными показателями сопротивления металла силовым воздействиям являются нормативные сопротивления R_yn и R_un, установленные соответственно по пределу текучести (или условного предела текучести) и предела прочности.

Значения R_yn и R_un регламентируются нормами проектирования. При этом учитывается статистическая изменчивость сопротивлений. Нужно, чтобы обеспеченность составляла не менее 0,95.

Гистограмма распределения прочностей металла  

Рис. 4.20. Гистограмма распределения прочностей металла.

Работа стали с незначительным содержанием углерода под нагрузкой, вызывающей напряжения, приближающиеся к s_т (пределу текучести).

Под действием приложенной к элементу нагрузки атомы получают незначительное смещение, силы взаимодействия между ними изменяются, в результате чего форма кристаллов и атомная решетка слегка искажаются. После снятия нагрузки форма кристаллов и всей атомной решетки восстанавливается, атомы занимают прежние места с первоначальными силами взаимодействия. В пределах малых смещений зависимость изменений сил взаимодействия почти линейная (подчиняется закону Гука) и деформация упругая, характеризуемая восстановлением свойств после снятия нагрузки. При дальнейшем повышении нагрузки начинают появляться деформации, связанные со значительным смещением включающем пластический сдвиг в кристаллической решетке. После снятия нагрузки восстанавливается только упругая составляющая смещений, появляются остаточные деформации. Наступление пластических сдвигов в зернах с разнонаправленной кристаллической решеткой происходит не одновременно.

При нагрузке, вызывающей напряжения, близкие к пределу текучести s_т, накапливается значительное количество таких сдвигов, что характеризует пластическое течение материалов, образуется площадка текучести.

Появление площадки текучести у сталей с небольшим содержанием углерода.

Образование площадки текучести объясняет теория дислокаций. К 20-ым годам нынешнего столетия металлурги всего мира уже имели, значительные успехи в производстве сталей. Однако прочностные свойства сталей стабилизировались и было высказано мнение, что достигнут предел и далее прочность повысить не удастся. Чтобы теоретически эту гипотезу подтвердить советский физик Я.И. Френкель в 1926 г. разработал математический аппарат для определения теоретической прочности материала. И оказалось, что теоретическая прочность не в несколько раз, как считали ранее, а в несколько сотен, а иногда и в 1000 раз выше реальной.

Что же могло так ослабить металл? Очевидно какие-то дефекты. Вначале ученые обратили внимание на точечные дефекты. Например, отсутствие атома в узле решетки, замещение его "чужеродным" атомом, внедрение лишнего атома в междуузельное пространство и т.п. Почему такие процессы оказываются возможными? Находящиеся в узлах решетки атомы не остаются неподвижными. Они колеблются с тем большей амплитудой, чем выше температура. Это движение не прекращается даже вблизи абсолютного нуля. В результате взаимодействия некоторые атомы могут получить такую большую энергию, что покинут положение равновесия. Блуждающие атомы в решетке называют дислоцированными, а пустое место - вакансией. Вакансия в решетке движется до тех пор, пока не выйдет на поверхность кристалла. Искажается решетка и

из-за внедрения в нее атомов различных примесей. Так как атомы очень малы, то даже при небольшом процентном содержании примесей насчитывается огромное количество искажений кристаллической решетки. Например, достаточно 0,001% примеси водорода в железе, чтобы оно стало хрупким при комнатной температуре, в то время как чистое железо остается пластичным даже при температуре жидкого гелия (-268,8^оС)

В 1934 г. английский физик Г. Тейлор и венгерский Е. Орован обнаружили, что в кристалле существует особый структурный дефект. Линейный структурный дефект был назван дислокацией, а теория, объясняющая работу материала получила название теории дислокаций, Различают краевую дислокацию (например, между "правильными" структурными плоскостями вдвинута лишняя плоскость, край которой образует дефект) и винтовую (дефект в виде "разреза" решетки и относительного сдвига по винтовой линии). Дефекты возникают уже в процессе роста кристалла. Но для того, чтобы снизить прочность кристалла в сто раз по сравнению с теоретической (идеальной), дефекты должны были бы занимать не менее 99% общей площади поперечного сечения, что не соответствует действительности, значит дело не только в дефектах, но и в механизме разрушения кристалла. Ученые Френкель, Тейлор, Орован независимо друг от друга пришли к выводу, что кристалл не сдвигается и не отрывается сразу по всему сечению, а через него при движении дислокаций как бы проходят "волны" элементарных сдвигов, каждый из которых, выходя на поверхность, образует сдвиг на один период кристаллической решетки, т.е. на ступеньку в один атомный слой.

Всякое смещение атомов из положения равновесия требует дополнительных затрат энергии. Чтобы дислокация начала двигаться, нужно приложить определенное усилие. Дислокация, двигаясь в зерне, вызывает искажение кристаллической решетки. Что ведет к накоплению потенциальной энергии в зерне феррита. Для того, чтобы вслед за ней могла продвинуться следующая дислокация. Она должна преодолеть потенциальную энергию, накопленную при прохождении предыдущей дислокации. Энергия для такого преодоления может появиться только за счет повышения внешней нагрузки. По мере увеличения внешней нагрузки все больше дислокаций подходит к границе зерна. Дальнейшее же продвижение дислокаций сдерживается как изменившимися силами атомного взаимодействия на границах зерен, так и перлитовыми прослойками и включениями. Когда внешняя нагрузка достигает такой величины, что сдерживающее влияние указанных факторов оказывается преодоленным, то потенциальная энергия, накопленная в зернах феррита при прохождении дислокаций, проявляется вовне в виде площадки текучести, происходит как бы соскакивание одной части кристаллов относительно других без нарушения целостности. Так как потенциальная энергия имеет определенную величину, то и протяженность площадки текучести также конечна.

Работа стали с малым содержанием углерода после образования площадки текучести.

Согласно теории дислокаций (2.6.) причиной малой реальной прочности стали является движение дислокаций. В то же время каждая предыдущая дислокация является препятствием для прохождения последующей, и чем больше таких препятствий, тем большую внешнюю нагрузку может нести материал.

После окончания пластического течения стали, происходящего при напряжениях равных s_т, при дальнейшем увеличении внешней нагрузки такое количество дислокаций приходит в движение и ориентированы они по таким разнообразным направлениям, что начинают тормозить движение друг друга. Наступает область самоупрочнения. По мере дальнейшего увеличения внешней нагрузки все препятствия, сдерживающие движение дислокаций оказываются преодоленными, образуются все новые и новые дислокации, идет накопление больших пластических сдвигов.

Дислокации скапливаются у мест будущего разрыва, образуется "шейка" (уменьшение поперечного сечения испытуемого образца), резко растет разность скоростей деформаций в разных точках сечения, приводящая к разрыву по вогнутой поверхности (начиная с середины) как только смежные точки сечения разойдутся на величину, отвечающую нарушению атомных связей.

Теория дислокаций указывает два магистральных пути повышения прочности материалов.

Первый путь - создание без дислокационных материалов.

Второй путь - создание условий, блокирующих движение дислокаций (напомним, что снижение реальной прочности связано с движением дислокаций).

Современные способы увеличения прочности стали (2.1.).

Современная металлургия использует второй путь повышения прочности, так как создание без дислокационных материалов в земных условиях в больших объемах крайне затруднительно.(Хотя и существуют практически без дислокационные материалы, прочность которых очень велика, например, прочность железа Æ 1,6 мкм, так называемого "уса", составляет 13100 МПа). Повышение прочности стали достигается следующими методами.

Легирование. Легирующие элементы находятся в твердом растворе с ферритом, затрудняя движение дислокаций в зерне, а также образуют соединения, упрочняющие прослойки между зернами, тем самым препятствуя выходу дислокации на границу зерна.

Обработка давлением. Прокатка, ковка, штамповка и другие виды обработки сминают зерна, сближая их частицы настолько, что между ними начинают действовать мощные силы межатомного взаимодействия, которые гораздо выше механического сцепления зерен. Кроме этого увеличивается плотность.дислокаций, что ведет к затруднению их движения.

Высокоскоростная кристаллизация металла (ВКМ). Кристаллизация при затвердении жидких металлических расплавов оказывает решающее влияние на возникновение дефектов строения. Чем больше времени она занимает, тем крупнее зерно и тем хуже свойства металла. В практике литья скорость охлаждения слитка 1^о в секунду. Нужна же скорость 10000^о в секунду. Эта скорость достижима в микро слитках-гранулах с размерами 5-500 мкм. Микро слиток формируется путем распыления жидкого металла струей инертного газа. Далее следует процесс создания монолита из отдельных гранул горячим изостатическим прессованием (ГИП) при температуре = 1200^оС и давлением = 2000 атм.

Твердо-фазовая металлургия. _.Получение гранул сплава любого состава из порошковой смеси в шаровых мельницах без образования жидкой фазы при расплавлении и далее ГИП.

__ Термообработка. Позволяет улучшить свойства стали благодаря тому, что под влиянием температуры, режима нагрева и охлаждения изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов.

В 1900 г. французский металлург Г. Монгольфье на Всемирной выставке сказал: "Считаю своим долгом открыто и публично заявить, что сталелитейное дело обязано настоящим успехом в значительной мере трудам и исследованиям русского инженера Д.К. Чернова". Дмитрий Константинович Чернов продолжил работы своего соотечественника Павла Петровича Аносова в области исследования структуры стали. Он обнаружил, что свойства крупнозернистой стали гораздо хуже свойств мелкозернистой стали (согласно теории дислокаций в крупном зерне меньше факторов, блокирующих развитие дислокаций, что ведет к снижению прочности крупнозернистой стали и начал искать пути улучшения структуры стали, превращения ее из крупно- в мелкозернистую. Д.К.Чернов показал, что в этом превращении большую роль играют режимы термообработки и нашел характерные точки, обозначенные им как "а" и "в". Если сталь нагреть ниже точки "а", то потом, как бы быстро ее не охлаждали, она становится пластичнее. Нагретая до точки "в" сталь превращается из крупнозернистой в мелкозернистую. На этом основаны и применяемые в настоящее время способы термообработки.

Нормализация. Нагрев проката до температуры образования аустенита и последующее охлаждение на воздухе. При этом структура стали получается более упорядоченной, снимаются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств проката и его ударной вязкости. Снижение напряжений уменьшает склонность к коррозионному износу.

Закалка. Нагрев до температуры, превосходящей температуру фазового превращения (выше точки "а"). Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз, структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность, однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и

образования желаемой структуры производится ее отпуск, т.е. нагрев до температуры, при которой происходит нужное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение необходимого времени и затем медленное остывание по мере нагрева стали при t = 600^оС образуется мелкозернистая ферритная основа. Такая структура называется сорбитом отпуска и обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических свойств, высокой стойкостью против хрупкого разрушения

и наименьшим разупрочнением при сварке. Строительные стали по ГОСТ 27772-88 могут поставляться термообработанными. Тогда в обозначении:Т. Стоимость термообработки, например, углеродистой стали составляет 7-10 % от первоначальной стоимости при повышении прочности на 20-25%.

В целях унификации всю термообработанную сталь независимо от состава делят на категории прочности: Т30, Т45, Т60, Т75 (цифры обозначают значение предела текучести в кг/мм²). Закаленные низколегированные стали разупрочняются при сварке на 10 - 30 %, но имеются и стали снижение прочности которых не происходит. Категории прочности сталей, неразупрочняющихся и при сварке: Т45с, Т60с, Т75с.

В США предел текучести сталей с термообработкой достигает пределов 70-90 кг/мм² (700 - 900 МПа), например, стали "Яллой-1", "Яллой-3".

. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что сдвинуть одну часть монокристалла железа по другой значительно легче, чем оторвать. Поэтому пластические деформации в зернах железа протекают путем сдвига. Установлено также, что сдвиг происходит по плоскостям, наиболее густо усеянным атомами, т. е. по направлению большой диагонали объемно-центрированного куба (ОЦК-решетки).

Дата добавления: 2014-01-07