Понятие о конструкционной прочности металлов

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации.

Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени). В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются предел текучести – σ_0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2 %) и временное сопротивление (предел прочности) - σ_в, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Механические свойства, установленные испытанием на растяжение, не могут служить достаточной характеристикой прочности металлов из-за значительных различий между условиями испытаний и работы в реальной машине. Наиболее полно конструкционная прочность металлов может быть выявлена при проведении помимо механических, проведением ещё стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний.

Понятия надежности (сопротивления разрушению) и долговечности (способности разрушаться за многие акты нагружения) существуют применительно и к металлам.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a_k, МДж/м²), т. е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К1с, МПа×мм^1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного ресурса. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др. Работоспо-собность конструкционных материалов зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как: сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивление износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний

1/3

/ Прочность - это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Поэтому увеличению прочности придают первостепенное значение, стремясь одновременно обеспечить и достаточную пластичность.

Теоретическая прочность металлов выражается формулой

τ_теор= G/2 p,

где G— модуль сдвига, представляющий собой коэффициент пропорцио-нальности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом ε.

Числовые значения модуля сдвига G следующие: для железа — 77 000 МПа, для меди — 44 000 МПа, для алюминия—27000 МПа.

Техническая прочность металлов, определяемая значениями механичес-ких свойств σ_в, σ_т и др., значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств (дефектов).

Повысить прочность металла — значит продлить жизнь машин, обору-дования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.

На рис. 1. 32приведены методы, используемые в практике для повыше-ния прочности металлов и сплавов. Все современные методы упрочнения металлов направлены на создание условий торможения дислокаций за счет увеличения их плотности, взаимо-действия дислокаций с атомами легирующих элементов, измельчения блоков, образования дисперсных частиц карбидов, нитридов и т. п. К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханическую обработки, деформационное упрочнение и др.

Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. Например, почти бездислокационные нитевидные кристаллы (усы) железа имеют прочность σ_в =13000 МПа, а техническое железо — только 300 МПа. Вторым фактором повышения прочности металлов является увеличение количества (повышение плотности) различных дефектов, в том числе и дислокаций (об этом см. раздел 4, с.44).

Рис. 1.32. Классификация методов упрочнения металлов

Рассмотрим два случая влияния легирования на прочность металлов.

Первый — когда в результате взаимодействия легирующего элемента с основным металлом образуется твердый раствор на базе решетки основного металла.

Второй — когда легирование приводит к образованию новой, более прочной фазы. Если эта фаза выделяется в виде сетки по границам зёрен или в виде скелетообразного каркаса, то такое распределение второй фазы снижает вязкость и пластичность материала. В случае высокой хрупкости второй фазы, расположенной по границам зерен, создаются условия для ускоренного распространения хрупких трещин в материале. Предпочтительнее, когда вторая фаза располагается в виде равномерно распределенных дисперсных частиц.

Возможность применения упрочняющей термической обработки определяется в основном типом диаграмм состояния и зависит от раство-римости легирующих элементов в металле ‒ основе, а также аллотропических превращений в металлах. Существует много способов упрочнения за счет термической обработки, которые отличаются друг от друга температурой нагрева и условиями охлаждения. В качестве примера можно привести результаты термической обработки углеродистой стали с исходной твердостью 150...200 НВ. После термической обработки (закалки) ее твердость увеличивается в 2,5...3 раза.

Химико-термическая обработка является одним из методов поверхностного упрочнения стали. При этом изменяется химический состав, строение и свойства поверхностного слоя металла. В результате такой обработки повышаются твердость, предел выносливости, износостойкость, контактная прочность и др. Например, известно, что многие детали машин и механизмов (зубчатые колеса, валы, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.) работают в условиях износа и ударных нагрузок. Для таких деталей требуются твердая износостойкая поверхность и сравнительно мягкая сердцевина.

Упрочнение пластической деформацией (обкатка роликами, обдувка дробью и др.) используют главным образом в тех случаях, когда сплавы по каким-либо причинам не могут быть упрочнены термической обработкой.

Высокую прочность при достаточной пластичности можно получить при термомеханической обработке, которая заключается в том, что в едином технологическом процессе сочетаются деформация и закалка. В ряде случаев при этом наряду с повышением временного сопротивления s_В при растяжении значительно увеличивается предел текучести s_Т (в 1,5...2 раза).

Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления, ионная имплантация и т. д.

Одним из путей повышения прочности является получение компози-ционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии.

По прогнозам материаловедов в ближайшие годы могут быть созданы специальные сплавы и стали с пределами прочности 3500...6000 МПа, а легкие сплавы —1000...1500 МПа, что значительно приблизит их техническую прочность к теоретической.

¼

Строение сплавов. Металлический сплав получают: сплавлением двух или более металлов; сплавлением преимущественно металлов с неметаллами; спеканием порошков нескольких металлов, а также др. методами (например, гидролизом). Полученное соединение обладает более высокими свойствами, чем чистые металлы.

Сплавами называют сложные по составу металлические вещества, образовавшиеся в результате кристаллизации расплава двух или более химических элементов. Элемент, входящий в состав сплава, называется компонентом. Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным. Компоненты, вводимые в сплав для придания ему нужных свойств, называются легирующими. Совокупность компонентов сплава называется системой.

Сплавы классифицируют:

• по числу компонентов—на двойные (бинарные), тройные, четверные и многокомпонентные;

• по основному элементу—железные, алюминиевые, магниевые, титановые, медные и т. д.;

•по применению—конструкционные, инструментальные, жаро-прочные, антифрикционные, пружинные, шарикоподшипниковые и т. д.;

• по плотности—тяжелые (на основе вольфрама, рения, свинца и др.), легкие (алюминиевые, магниевые, бериллиевые и др.);

• по температуре плавления— тугоплавкие (сплавы на основе ниобия, молибдена, тантала, вольфрама и др.), легкоплавкие (припои, баббиты, типографские сплавы и т. д.);

• по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий—литейные, деформируемые, спеченные, гранулированные, композиционные и т. д.

В зависимости от взаимодействия компонентов и от соотношения массовых количеств их сплавы после затвердевания из жидкого состояния могут образовывать:

• механические смеси;

• твердые растворы и

• химические соединения.

Механические смеси образуются, когда из жидкого расплава одновременно выпадают кристаллы составляющих его компонентов. При образовании механических смесей компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии или обладают весьма ограниченной растворимостью. Механические смеси могут состоять из кристаллитов чистых компонентов, твердых растворов и химических соединений. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не меняются.

Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяются скачкообразно. Замечено, что механические смеси образуют металлы, отличающиеся друг от друга атомными объемами и температурой плавления.

Твердый раствор образуется тогда, когда кристаллы сплава содержат одновременно несколько компонентов, которые могут входить в состав кристаллов в произвольных весовых количествах. При образовании твердых растворов кристаллическая решетка растворителя сохраняется, изменяются тольк ее параметры. Твердые растворы могут быть с ограниченной и неограниченной раствори-мостью компонентов в твердом состоянии.

Установлено, что если кристаллические решетки компонентов одинаковы и атомные размеры отличаются не более чем на 15 %, то такие компоненты образуют твердые растворы.

По типу расположения атомов растворимого элемента твердые растворы делятся на две группы — замещения и внедрения. На рис. 1.34, а показана кристалллическая решетка твердого раствора замещения.

Атомы компонента А частично замещают атомы компонента В (основного металла). В твердых растворах внедрения атомы растворенного вещества А располагаются в промежутках кристаллической решетки между атомами растворителя В (рис. 1.34, б). Чаще всего твёрдый раствор внедрения образуется когда в металле растворяются такие неметаллические элементы, как кислород, водород, азот, углерод, которые образуют с металлами оксиды, гидраты, нитриды, карбиды.

Рис. 1.34. Схемы образования твердых растворов: а — замещения; б — внедрения

Компоненты входят в состав химического соединения в строго опреде-ленных соотношениях. Образование химического соединения сопровождается возникновением новой кристаллической решетки. Свойства химического соединения резко отличаются от свойств элементов, образующих его. Химическое соединение, как правило, образуется элементами, расположен-ными далеко друг от друга в таблице Д. И. Менделеева, т. е. существенно различающихся по своему строению и свойствам.

Все твёрдые тела, которые нам встречаются в природе делятся на аморфные и кристаллические. К аморфным твёрдым телам можно отнести стекло, канифоль, эбонит и другие. Они имеют беспорядочное, хаотическое расположение атомов или молекул. Металлы и их сплавы в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации также делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 10⁶...10⁷ °С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц (гранул). Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т.е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

Металлами называются химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая проводимость тепла и электрического тока, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться. Металлы и их сплавы имеют кристаллическую структуру, характеризующиеся закономерным, упорядоченным расположением атомов. Атомы состоят из положительно заряженных ядер, вокруг которых по различным орбитам вращаются электроны. На последней внешней орбите число атомов невелико и они одновременно принадлежат целой совокупности атомов и образуют «электронный газ». Благодаря этим электронам металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью.

Металлы относятся к твердым кристаллическим телам, имеющим упорядоченное взаимное расположение атомов. Если через центры соседних атомов провести три взаимно-перпендикулярные прямые, то они, пересекаясь образуют элементарную геометрическую фигуру, которую называют элементарной ячейкой или кристаллической решеткой (рис. 1.2).

Пространственное расположение атомов в кристаллических веществах возможно более чем в двухстах различных комбинациях. Однако в кристаллографии (науке о кристаллах) рассматривают только 14 типов элементарных ячеек. Их также называют пространственными решётками Бравэ, в качестве геометрической характеристики принимаются три ребра ячейки (а, в, с) и три угла между ними (α, β, γ).

Наиболее часто металлы имеют кристаллические решетки следующих типов: кубическую объемно-центрированную (атомы в углах и в центре куба) имеют натрий, хром, вольфрам, ванадий, железо и др. (а = 0,287…0,889 нм = 2,87…8,89 Å), а 1 Å = 10^{-8 см; гранецентрированную (атомы по углам куба и в центре каждой грани) имеют алюминий, кальций, никель, медь, серебро (а = 3,6…4,9 Å); гексагональную (атомы в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы) имеют магний, цинк, титан, бериллий и др. (а = 2,26…3,2 Å); (с = 3,59…5,6 Å).}

Кристаллическая решётка может быть представлена на плоскости (плоская кристаллическая решётка) или в пространстве (пространственная кристаллическая решётка). В плоской кристаллической решётке атомы заполняют плоскость, образуя параллельные ряды (рис.1.1). Совокупность этих рядов и образуют плоскую кристаллическую решётку. Многократное воспроизведение плоской решётки Бравэ параллельно самой себе приводит к изображению пространственной решётки. Для удобства атомы условно рисуют небольшими кружками (рис.1.1, б), хотя в действительности атомы (ионы) касаются друг друга (рис.1.1 ,а).

Рис.1.1– Плоская кристаллическая ре-шётка: а – действительное расположение ато-мов; б – условное изобра-жение.

Расположение атомов в кристаллической решетке и ее параметры а и с определяют методом рентгеноструктурного анализа с точностью до 3…5 знаков после запятой.

	Рис. 1.2. Элементарные кристалли-ческие решетки: а – кубическая объемноцентриро-ванная; б – кубическая гранецен-трированная; в – гексагональная плотноупако-ванная

Основные характеристики кристаллических решеток представлены в табл.1

Таблица 1

Типы кристаллических решеток важнейших металлических элементов

Тип решетки	Координационное число	Коэффициент компактности	Металл
ГЦК ОЦК ГП			Аg, Аu, Рt, Сu, А1, РЬ, Ni… Nа, К, V, NЬ, Сг, Мо, W… Ве, Мg, Zn, Cd, Re, Hf, Os…

Плотность различных кристаллических решеток разная и характеризуется координационным числом К, под которым понимают число атомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атома. Координационное число для кубической объёмноцентрированной (ОЦК) решетки равно восьми (К8), коэффициент заполнения (отношение объема, занятого атомами, к объему всей ячейки) равен 68 %. Для гранецентрированной (ГЦК)и гексагональной (ГП) кристаллических решеток координационное число равно двенадцати (К12), а коэффициент заполнения — 74 %.

Координационное число даёт представление о характере распределения сил взаимосвязи между атомами. Оно определяется по числу близлежащих атомов к любому атому кристаллической решётки. Кроме того, чем больше К, тем плотнее решётка.

Им параметром, характеризующим решётку является базис, под которым понимается число атомов формально приходящиеся на одну кристаллическую решётку. На каждую элементарную ячейку ОЦК решётки приходится 1/8 × 8+1= 2 атома. Здесь 8 атомов оцк решётки располагаются по вершинам куба, которые принадлежат одновременно восьми элементарным ячейкам, и один атом – в центре куба, принадлежит только этой ячейке. Аналогично для ГЦК металлов: 1/8 ∙8 +1/2 ∙ 6 = 4, а для гпу металлов: 3+1/6 ×12+2/2.= 6

Атомы в кристаллических решетках в разных направлениях ее находятся на разных расстояниях и, следовательно, в разных плоскостях атомы расположены с различной плотностью. При таком расположении атомов свойства в различных направлениях различны. Зависимость физических свойств — механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических от направления испытания — называется анизотропией.

Полиморфные (аллотропические) превращения. Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т. д. На кривых охлаждения и нагрева переход из одного состояния в другое характеризуется остановкой (для чистых металлов) или изменением характера кривой (для сплавов). При аллотропических превращениях кроме изменения свойств (теплопроводности, электропро-водности, механических, магнитных и др.) наблюдают изменения объёма металла и растворимости (например, углерода в железе). Аллотропические превращения свойственны многим металлам (железу, олову, титану, цирконию, кобальту и др.). Железо известно в двух полиморфных модификациях—α и γ.

На рис. 1.3 приведена кривая охлаждения железа, характеризующая его аллотропические превращения. Как видно, в интервале температур 911...1392 °С железо имеет ГЦК решетку γ-железа (Fe_γ), а в интервале от 0 до 911 °С и от 1392 до 1539 °С— ОЦК решетку α-железа (Fe_α). Железо меняет свои магнитные свойства: выше 768 °С железо немагнитно, а ниже - магнитно.

Существование металлов в различных кристаллических формах при разных температурах объясняется стремлением к состоянию с наименьшим запасом свободной энергии. Такое превращение сопровождается тепловым эффектом, которое связано с необходимостью затраты определённой энергии на перестройку кристаллической решётки. В табл. 1.2 представлены металлы с температурной аллотропией.

При температуре 1392 °С кристаллы Fe_α переходят в Fe_γ с ГЦК решеткой. При температуре 911°С решётка ГЦК переходит вновь в решетку ОЦК Fe_α, которая сохраняется до комнатной температуры. Температура 768 °С называется точкой Кюри: при этой температуре изменяются магнитные свойства железа. Различают две важнейшие модифи-кации: α- и γ-железо; α-железо магнитно, γ-железо немагнитно; γ-железо обладает способностью хорошо растворять углерод (α-Fe растворяет углерода до 0,02 %, а γ-Fe — до 2,14 %). Полиморфизм железа имеет практическое значение при термической обработке стали и чугуна.

Рис. 1.3. График полиморфных превращений железа

Магнитное превращение отличается от аллотропического некоторыми особенностями, в частности оно не сопровождается изменением кристалли-ческой решетки. Кроме железа ферромагнитными свойствами, т. е. способностью хорошо намагничиваться, обладают также кобальт и никель.

Таблица 2

Металлы с полиморфным превращением

Металл	Тип решетки	Температура превращения, °С
Са	ГЦК - ГП
Се	ГП - ГЦК
Zr	ГП - ОЦК
Ti	ГП - ОЦК
Fе	ОЦК – ГЦК- ОЦК	911,1392

Металлы состоят из большого количества кристаллов или зерен.