Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Механическими свойствами материалов называют свойства, которые проявляются при воздействии внешних нагрузок. Упругость, прочность, пластичность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность — характеристики механических свойств. Основные виды нагружения при проведении механических испытаний соответствуют схемам растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза.
Методы испытаний и соответствующие характеристики механических свойств подразделяются на статические и динамические. Статическое нагружение характеризуется малой скоростью изменения нагрузки. Динамическое нагружение соответствует высокой скорости изменения нагрузки во времени, что практически происходит при ударном нагружении.
Изменение нагрузки может быть периодически повторяющимся, вследствие чего испытания называют циклическими. В реальных условиях конструкции испытывают комплексное воздействие перечисленных нагрузок.
Действие нагрузки зависит от распределения ее по поверхностности (например, давление газовой или жидкой среды) или в объеме (например, силы тяжести, инерции); возможно концентрированное приложение нагрузки при наличии концентраторов — дефектов структуры на поверхности или в объеме металла.
После снятия внешней нагрузки в изделии могут существовать внутренние напряжения. Причиной возникновения внутренних напряжений могут быть градиент температур и структурно-фазовые превращения, происходящие в процессе технологической обработки металлов и сплавов.
Прочность представляет свойство материала сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы при пластической деформации под действием внешних нагрузок.
Прочность и условия разрушения металлов и сплавов являются важной частью металловедения с точки зрения обеспечения прочности, надежности и долговечности изделий. Они имеют также важное технологическое значение, поскольку формообразующие и многие упрочняющие операции обработки деталей по своей сути представляют собой технологически управляемое интенсивное воздействие на материал. Особенно это касается современных технологий формообразования в режиме сверхпластичности, компактирования быстрозакаленных порошков (гранул) и технологий модифицирования поверхности изделий, основанных на воздействии концентрированных потоков энергии (лазерного излучения, сфокусированного потока электронов, а также плазменных потоков).
Существуют различные количественные характеристики прочности как при постоянных, так и при переменных нагрузках: предел упругости, предел текучести, временное сопротивление, предел усталости и др.
Деформация сплава при приложении нагрузки в общем случае состоит из упругой и пластической составляющих. Упругая деформация проявляется при напряжениях ниже предела упругости σу и определяется модулем упругости согласно закону пропорциональности Гука εу=σ/Е. Максимальные значения модуля упругости имеют тугоплавкие металлы: вольфрам и молибден (410 и 330 МПа); это связывают с тем, что упругая деформация, определяемая обратимым смещением атомов (ионов) в узлах кристаллической решетки металла, обратно пропорциональна прочности межатомных связей, которая имеет наиболее высокие значения у тугоплавких металлов.
Пластическая деформация происходит при более высоких напряжениях, не меньших физического предела текучести σт (σз) или условного предела текучести σ0,2, соответствующего остаточной (пластической) деформации 0,2 % (рис. 1.3).
Пластичность металла характеризуется относительным удлинением δ или сужением ψ. Относительное удлинение, соответствующее максимальному напряжению на кривой нагружения (σв — временной предел прочности), представляет равномерное удлинение δр, дальнейшее удлинение образца происходит неравномерно — с образованием шейки.
Дислокационная природа механизма пластической деформации металла позволяет уяснить влияние размера зерна на прочность металла. Чем мельче зерна, тем больше сопротивление пластической деформации, Влияние размера зерна d на характеристику прочности металла — предел текучести σт — отражено в формуле Холла—Петча:
где σм — прочность монокристалла; ky — коэффициент зернограничного упрочнения.
В дислокационном механизме пластической деформации и разрушения металла участвуют не только дислокации, но и другие элементы дислокационной структуры: границы зерен и субзерен, атмосферы Котгрелла; атмосферы Сузуки и высокодисперсные твердые включения — стопоры.
Плотность дислокаций, т. е. их суммарная длина, приходящаяся на единицу объема металла (в см-2), является характеристикой, непосредственно влияющей на сопротивление сплава пластической деформации.
Влияние плотности дислокации р на прочность металла можно оценить по формуле Келли—Наттинга:
σт = σ0 + αGbр1/2,
где α = 0,1+0,2; σ0, G, b — соответственно напряжение трения решетки, модуль сдвига, вектор Бюргерса дислокации.
В зависимости от условий формирования дислокационной структуры дислокации могут располагаться в объеме зерен равномерно, образуя «лес» дислокаций, или упорядоченно, образуя дислокационные стенки — границы субзерен или ячейки,
При упорядоченной дислокационной структуре пластическая деформация затрудняется, поскольку, помимо сил Пайерлса—Набарро, на передвижение дислокаций тормозящее действие оказывают дислокации, сосредоточенные в дислокационной стенке.
При наличии в металле концентраторов напряжений прочность интенсивно снижается. В этом случае металл разрушается в процессе упругой деформации до начала пластической деформации.
Концентраторами напряжений являются имеющиеся в металле трещины, несплошности, включения с острыми краями, а также резкие переходы в детали от одного сечения к другому. Концентраторы напряжений в металле значительно увеличивают локальный уровень напряжений и, следовательно, способствуют зарождению и развитию трещин при более низких нагрузках.
Металлургические дефекты, такие, как различные рассеянные в металле неметаллические включения, например FеS, SiO2, Аl2O3, а также раковины, поры и другие нарушения сплошности, крупнозернистость и различные виды ликвации, приводят к снижению прочности металла.