Деформация и разрушение металловматериалов

Относительная стоимость некоторых металлов

Объемы мирового производства металлов и сплавов

Данные по объемам мирового производства металлов и сплавов приведены в табл. 2.5.

Таблица 2.5

Металлы и сплавы на их основе	Годовой объем производства, тыс.т
Fe	720 000
Al	17 000
Сu
Zn
Sn
Ni
Mg
W
Ti
V
Au	1,2

Данные по относительной стоимости металлов и сплавов приведены в табл. 2.6.

Таблица 2.6

Относительная стоимость некоторых металлов и сплавов

Металлы и сплавы на их основе	Относительная стоимость
Fe
Zn

Продолжение табл. 2.6

Al
Сu	7,5
Mg
Ni
Sn
Cr
Co
Ti
W
Mo
Ag
V
Au
Pt

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Различают:

- внешние напряжения, возникающие под действием внешних сил различного характера (растяжение, сжатие, изгиб, кручение и др.);

- внутренние напряжения, возникающие под действием внутренних сил, вызванных фазовыми превращениями, усадкой и другими факторами, связанными с изменением объема.

Рассмотрим напряжения, возникающие в стержне под действием растягивающей силы F в произвольном сечении сплощадью S_i (рис. 2.1а). В сечении возникают:

- нормальные напряжения:

где F _σ – нормальная сила, перпендикулярная плоскости с поверхностью
S_i; S – - площадь сечения стержня, плоскостью, перпендикулярной его оси;
α – угол наклона сечения c площадью S_i к горизонтальной плоскости;

- касательные напряжения:

где F _τ– касательная сила, параллельная плоскости с площадью S_i.

Нормальные напряжения достигают максимального значения при
α = 0°, касательные напряжения - при α = 45°, при этом τ_max = 0,5 σ_max.

Различают следующие виды деформаций.

а) б) в)

Рис. 2.1. Напряжения, возникающие в стержне под действием растягивающей силы F (а), и разрушение материала путем отрыва (б)

и среза (в)

- касательные напряжения:

где F _τ– касательная сила, параллельная плоскости с площадью S_i.

Нормальные напряжения достигают максимального значения при
α = 0°, касательные напряжения - при α = 45°, при этом τ_max = 0,5 σ_max.

Различают следующие виды деформаций.

Упругая (обратимая) деформация заключается в обратимом изменении расстояния между молекулами или ионами вещества под действием нормальных или касательных напряжений. После снятия нагрузки тело полностью восстанавливает свои форму и размеры (рис. 2.2).

Пластическая (необратимая) деформация заключается в необратимом сдвиге структурных частиц кристалла под действием касательных напряжений. После снятия нагрузки тело не восстанавливает исходные форму и размеры.

	F σ = 0

F _σ

F _σ

F _σ = 0

а)

б)

в)  

Рис. 2.2. Упругая деформация под действием нормальных напряжений:

а, в – кристалл до и после приложения силы F, б – кристалл под нагрузкой

Рассмотрим механизм пластической деформации.

В идеальном кристалле, не содержащем дефектов кристаллической решетки, пластическая деформация осуществляется по механизму сдвига структурных частиц одной части кристалла относительно другой его части по плоскости n-n (рис. 2.3).

а) б)

Рис. 2.3. Схема пластической деформации по механизму сдвига:

а) – кристалл до приложения нагрузки, б) - деформированный кристалл

Деформация сопровождается одновременным разрывом большого количества химических связей между структурными частицами вещества, находящимися по разные стороны плоскости скольжения, и образованием новых связей.

В реальном кристалле пластическая деформация осуществляется путем перемещения дислокаций (рис. 2.4).

Дислокации движутся за счет разрыва и последующего восстановления ограниченного количества химических связей между структурными частицами, находящимися по разные стороны плоскости n-n, а не за счет перемещения молекул или ионов вещества.

Чтобы деформировать кристалл по механизму сдвига необходимо приложить значительно большее усилие, чем по дислокационному механизму, именно поэтому прочность идеальных (бездефектных) кристаллов в 100 и более раз больше прочности реальных кристаллических веществ.

а) б)

Рис. 2.4. Схема пластической деформации по дислокационному механизму:

а) до приложения силы t; б) деформированный кристалл

Рассмотрим зависимость предела текучести металла ( σ_т) от плотности дислокаций (ρ _d) (рис. 2.5).

Точка 1 на кривой σ_т = f (ρ _d) соответствует теоретической прочности идеального бездефектного кристалла (σ_т для Fe составляет 13000 МПа), здесь прочность кристалла имеет максимальное значение ввиду того, что его деформация осуществляется по механизму скольжения;

участок 2 – прочность «усов» (viskers) – искусственных нитевидных кристаллов без дефектов кристаллического строения;

участок 3 – прочность технически чистых металлов (~150 МПа для Fe);

участок 4 – прочность упрочненных металлов (~1500 МПа для Fe); упрочнение достигается за счет увеличения полезной плотности дислокаций при осуществлении следующих операций: низкотемпературная пластическая деформация (наклеп), измельчение зерна, термическая и химико-термическая обработка, легирование и др.

Уменьшение σ_т при увеличении ρ _d от 0 до ρ _d^' связано с изменением механизма пластической деформации металла – с механизма сдвига на дислокационный механизм. Увеличение σ_тпри ρ _d > ρ _d^' связано с образованием очень большого количества дислокаций в пересекающихся кристаллографических плоскостях, при этом дислокации препятствуют перемещению друг друга по объему материала.

Рис. 2.5. Зависимость предела текучести металла от плотности дислокаций:

1 – теоретическая прочность; 2 – прочность искусственных нитевидных кристаллов (усов), 3 – прочность чистых металлов; 4 – прочность упрочненных металлов; 5 – разрушение металлов

В точке 5 происходит разрушение металла ввиду накопления критического количества дефектов в кристаллической решетке металла.

Разрушение металла – это процесс разделения его на части под действием напряжений. При разрушении металла происходит разрыв межионных связей, процесс сопровождается образованием новых поверхностей.

Рассмотрим как меняется характер разрушения металла в зависимости от плотности дислокаций (рис. 2.6). Из рис. 2.6. видно, что при увеличении плотности дислокаций увеличиваются как сопротивление сдвигу элементарных частиц кристалла под действием касательных напряжений [τ], так и сопротивление их отрыва под действием нормальных напряжений [σ].

При этом в зависимости от соотношения [τ] и [σ] различают два вида разрушения металла:

1. Срез (см. рис. 2.1в) возникает если [τ] < [σ] в этом случае разрушение называют вязким, излом материала имеет волокнистый матовый характер. Разрушению предшествует значительная пластическая деформация.

Рис. 2.6. Влияние плотности дислокаций

на сопротивление сдвигу [τ] и отрыву [σ]

2. Отрыв (рис. 2.1б) возникает если [σ] < [τ]; разрушение при этом называют хрупким, излом материала имеет кристаллический блестящий характер. В идеальном случае отрыв происходит без предварительной пластической деформации. В реальных условиях он сопровождается микропластической деформацией.

Особенно опасно хрупкое разрушение металла, так как оно вызывает практически мгновенное разрушение детали или конструкции.

Контрольные вопросы

1. Назовите характерные свойства металлов.

2. Что такое деформация? Каковы причины деформации?

3. В чем разница между упругой и пластической деформацией?

4. Как осуществляется пластическая деформация в реальном кристалле?

5. Как влияет плотность дислокаций на прочность металла?

6. Что такое разрушение материала?

7. Какие виды разрушения Вы знаете?

Дата добавления: 2017-01-13