Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации
поликристаллических тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация
Конструкционная прочность материалов
В результате испытаний получают характеристики:
силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел
текучести, предел прочности, предел выносливости);
деформационные (относительное удлинение, относительное
сужение);
энергетические (ударная вязкость).
Все они характеризуют общую прочность материала независимо от
назначения, конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество
детали может быть достигнуто только при учете всех особенностей,
которые имеют место в процессе работы детали, и которые
определяют ее конструкционную прочность.
Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств,
которые находятся в наибольшей корреляции со служебными
свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную
работу материала в условиях эксплуатации.
На конструкционную прочность влияют следующие факторы:
конструкционные особенности детали (форма и размеры);
механизмы различных видов разрушения детали;
состояние материала в поверхностном слое детали;
процессы, происходящие в поверхностном слое детали,
приводящие к отказам при работе.
Необходимым условием создания качественных конструкций при
экономном использовании материала является учет дополнительных
критериев, влияющих на конструкционную прочность. Этими
критериями являются надежность и долговечность.
Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции,
сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в
течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому
разрушению.
Развитие хрупкого разрушения происходит при низких
температурах, при наличии трещин, при повышенных остаточных
напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и
коррозии.
Критериями, определяющими надежность, являются температурные
пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин,
ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.
Долговечность – способность детали сохранять
работоспособность до определенного состояния.
Долговечность определяется усталостью металла, процессами
износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное
разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями
работы.
Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная
прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная
прочность.
Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной
прочности являются:
аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах
и изделиях;
аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации
(температура, среда, порядок нагружения;
аналогия характера разрушения и вида излома в образце и
изделии.
Особенности деформации поликристаллических тел.
Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла.
Пластическая деформация металлов и сплавов как тел
поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с
пластической деформацией монокристалла.
Деформация поликристаллического тела складывается из
деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах.
Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием,
однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле
вносят свои особенности в механизм деформации.
Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в
пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в
плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация
начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых
возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна
будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс
деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна
получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного
течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль
направления деформации). Изменение структуры при деформации
показано на рис. 8.1.
Рис. 8.1. Изменение структуры при деформации: а) до
деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%.
Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми
вдоль них неметаллическими включениями являются причиной
неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с
изменением формы зерен в процессе пластической деформации
происходит изменение ориентировки в пространстве их
кристаллической решетки.
Когда
кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую
ориентировку, возникает текстура деформации.
Влияние пластической деформации на структуру и свойства
металла: наклеп
Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при
которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений,
расположенных под углом 45o друг к другу. С увеличением степени
деформации характеристики пластичности (относительное удлинение,
относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость)
уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости,
предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются
(рис. 8.2). Также повышается электросопротивление, снижаются
сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная
проницаемость.
Рис.8.2. Влияние холодной пластической деформации на
механические свойства металла
Совокупность явлений, связанных с изменением механических,
физических и других свойств металлов в процессе пластической
деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.
Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько
порядков плотности дислокаций:
Их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием,
также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и
зерен, искажениями решетки металлов, возникновением напряжений.