Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов

Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов

Материал при приложении к нему внешних сил деформируются. Внешние силы (нагрузки) могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). По направлению действия силы (нагрузки) возникают деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В практике, как правило, на деталь или изделие силы воздействуют не раздельно, а в комбинации друг с другом, в этом случае возникают упругая, изчезающая после снятия нагрузки, или пластическая, остающаяся после прекращения действия приложенных сил, деформации. При упругой деформации атомы обратимо смещаются от положения равновесия. При пластическом – атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация становится необратимой.

Состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, протекающие при нагреве, подразделяются на две основные стадии: возврат и рекристаллизация.

Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном уменьшение количества точечных дефектов). Полигонизация – процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и переползании дислокаций.

Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения.

Свойства, характеризующие способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил, называют механическими.

Механические свойства в качестве главных включают характеристики прочности, твердости, пластичности, упругости и вязкости. Кроме того производят испытания металлов на усталость (выносливость), ползучесть и др.

Испытания на растяжение

Прочность металла – это свойство, определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стандартными характеристиками прочности являются: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и временное сопротивление.

Характеристики пластичности материалов

 

1. Относительное удлинение - это отношение удлинения образца к его первоначальной длине под действием растягивающей нагрузки.

 

2. Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения под действием растягивающей нагрузки.

2. Методы определения твердости

Твердость – свойство материала сопротивляться пластической деформации при вдавливании в его поверхность твердого тела – индентора. Измерение твердости дает возможность без разрушения изделия получить информацию о механических свойствах и широко применяется для контроля качества металлических материалов.

 

 

Шкалы определения твердости по Роквеллу

Шкала	Индентор	Нагрузка P=P0+P1, Н	Измеряемые объекты
HRA	Алмазный конус		Особо твердые материалы, тонкие листы и слои(0,5-1,0 мм) Пределы измерения твердости 70-85
HRB	Стальной шарик		Мягкие металлы (<450HB) Пределы измерения твердости 25-100
HRC	Алмазный конус		Твердые материалы (>450HB) Пределы измерения твердости 20-67

Измерение твердости по Виккерсу

 

В этом методе (ГОСТ 2999-75) в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида, которая вдавливается в образец (изделие) под нагрузкой P – от 10 до 1000 Н. После снятия нагрузки измеряют диагонали отпечатка (ромба) d₁ и d₂ и определяют среднее арифметическое .

Твердость рассчитывают по формуле:

[МПа],

или определяют по специальным таблицам в зависимости от величины d.

Этим методом измеряют твердость тонких поверхностных слоев, а также материалов с очень высокой твердостью.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и долговечности.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отношение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и ползучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость, хладноломкость.

Вязкость разрушения показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость – это сопротивление разрушению при динамических нагрузках.

Хладоломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладоломкости характеризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

 

Тип разрушения определяет вид излома металла: вязкому разрушению соответствует вязкий излом, имеющий матовое, волокнистое строение, хрупкому разрушению – хрупкий излом с блестящим, кристаллическим строением. При переходе из вязкого состояния в хрупкое меняется вид излома металла: доля волокнистой составляющей в изломе уменьшается, а кристаллической - увеличивается.

 

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Разрушение металла под действием знакопеременных нагрузок называют усталостью.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок.

Предел выносливости – это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается после бесконечного или заданного числа циклов нагружения. Предел выносливости обозначается σ_{- 1}.

Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5…1,0 мм) до разрушения.

Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозернистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома, носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств материала) разрушения.

 

 

Вопросы теста.

Что такое живучесть?

a) продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5...1,0 до разрушения

b) способность сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени

c) способность оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию

d) способность противостоять хрупкому разрушению

Что такое хладоломкость?

a) максимальная ударная вязкость при температурах хрупкого состояния

b) максимальная прочность при температурах хрупкого состояния

c) относительное снижение ударной вязкостью при переходе из вязкого состояния в хрупкое

d) температура перехода в хрупкое состояние

Что такое рекристаллизация?

Это группа явлений, происходящих при нагреве деформированного металла и охватывающих...

a) процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникающими при скольжении и переползании дислокаций

b) все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств

c) процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения

d) изменение тонкой структуры (главным образом уменьшение количества точечных дефектов)

 

Что такое отдых?

Это группа явлений, происходящих при нагреве деформированного металла и охватывающих...

a) процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения

b) процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникающими при скольжении и переползании дислокаций

c) изменение тонкой структуры (главным образом уменьшение количества точечных дефектов)

d) все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств

Что такое возврат?

Это группа явлений, происходящих при нагреве деформированного металла и охватывающих...

a) процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникающими при скольжении и переползании дислокаций

b) изменение тонкой структуры (главным образом уменьшение количества точечных дефектов)

c) процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения

d) все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств

 

Что такое полигонизация?

Это группа явлений, происходящих при нагреве деформированного металла и охватывающих...

a) процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения

b) процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникающими при скольжении и переползании дислокаций

c) изменение тонкой структуры (главным образом уменьшение количества точечных дефектов)

d) все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств

 

Механические свойства, деформация и рекристаллизация металлов

Материал при приложении к нему внешних сил деформируются. Внешние силы (нагрузки) могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). По направлению действия силы (нагрузки) возникают деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В практике, как правило, на деталь или изделие силы воздействуют не раздельно, а в комбинации друг с другом, в этом случае возникают упругая, изчезающая после снятия нагрузки, или пластическая, остающаяся после прекращения действия приложенных сил, деформации. При упругой деформации атомы обратимо смещаются от положения равновесия. При пластическом – атомы обмениваются местами, вследствие чего деформация становится необратимой.

Состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво. Переход в более стабильное состояние происходит при нагреве. Процессы, протекающие при нагреве, подразделяются на две основные стадии: возврат и рекристаллизация.

Под возвратом понимают все изменения кристаллического строения и связанных с ним свойств. При возврате различают стадии: отдых и полигонизация. Отдых охватывает изменения в тонкой структуре (в основном уменьшение количества точечных дефектов). Полигонизация – процессы образования субзерен с малоугловыми границами, возникшими при скольжении и переползании дислокаций.

Под рекристаллизацией понимают группу явлений, охватывающих процессы зарождения и роста новых зерен с меньшим количеством дефектов строения.

Свойства, характеризующие способность металла или сплава сопротивляться воздействию внешних сил, называют механическими.

Механические свойства в качестве главных включают характеристики прочности, твердости, пластичности, упругости и вязкости. Кроме того производят испытания металлов на усталость (выносливость), ползучесть и др.

Испытания на растяжение

Прочность металла – это свойство, определяющее его способность сопротивляться деформации и разрушению. Стандартными характеристиками прочности являются: предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести и временное сопротивление.

Характеристики пластичности материалов

 

1. Относительное удлинение - это отношение удлинения образца к его первоначальной длине под действием растягивающей нагрузки.

 

2. Относительное сужение – это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади поперечного сечения под действием растягивающей нагрузки.

2. Методы определения твердости

Твердость – свойство материала сопротивляться пластической деформации при вдавливании в его поверхность твердого тела – индентора. Измерение твердости дает возможность без разрушения изделия получить информацию о механических свойствах и широко применяется для контроля качества металлических материалов.

 

 

Шкалы определения твердости по Роквеллу

Шкала	Индентор	Нагрузка P=P0+P1, Н	Измеряемые объекты
HRA	Алмазный конус		Особо твердые материалы, тонкие листы и слои(0,5-1,0 мм) Пределы измерения твердости 70-85
HRB	Стальной шарик		Мягкие металлы (<450HB) Пределы измерения твердости 25-100
HRC	Алмазный конус		Твердые материалы (>450HB) Пределы измерения твердости 20-67

Измерение твердости по Виккерсу

 

В этом методе (ГОСТ 2999-75) в качестве индентора используется четырехгранная алмазная пирамида, которая вдавливается в образец (изделие) под нагрузкой P – от 10 до 1000 Н. После снятия нагрузки измеряют диагонали отпечатка (ромба) d₁ и d₂ и определяют среднее арифметическое .

Твердость рассчитывают по формуле:

[МПа],

или определяют по специальным таблицам в зависимости от величины d.

Этим методом измеряют твердость тонких поверхностных слоев, а также материалов с очень высокой твердостью.

Конструктивную прочность материала характеризует комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации. Конструктивная прочность определяется критериями прочности, надежности и долговечности.

Удельные механические свойства (удельная прочность, удельная жесткость) характеризуют эффективность материалов по массе и представляют собой отношение соответствующих характеристик материала к его плотности.

Жаропрочные материалы характеризуются длительной прочностью и ползучестью. Под пределом длительной прочности понимают напряжение, вызывающее разрушение материала при заданной температуре за определенное время. Пределом ползучести называют напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при заданной температуре.

Надежностью называют способность материала противостоять хрупкому разрушению. Важными критериями надежности являются пластичность, вязкость разрушения, ударная вязкость, хладноломкость.

Вязкость разрушения показывает какой интенсивности достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Ударная вязкость – это сопротивление разрушению при динамических нагрузках.

Хладоломкость определяет влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Порог хладоломкости характеризуется температурой или интервалом температур перехода металла в хрупкое состояние. Хрупкий излом имеет кристаллическое строение. Обычно в изломе можно видеть форму и размер зерен, так как излом происходит без значительной пластической деформации и зерна при разрушении металла не искажаются.

 

Тип разрушения определяет вид излома металла: вязкому разрушению соответствует вязкий излом, имеющий матовое, волокнистое строение, хрупкому разрушению – хрупкий излом с блестящим, кристаллическим строением. При переходе из вязкого состояния в хрупкое меняется вид излома металла: доля волокнистой составляющей в изломе уменьшается, а кристаллической - увеличивается.

 

Долговечностью называют способность материала детали сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая ее работоспособность в течение заданного времени.

Разрушение металла под действием знакопеременных нагрузок называют усталостью.

Одним из критериев долговечности является выносливость, под которой понимают способность материала сопротивляться усталости, или постепенному накоплению повреждений под действием циклически повторяющихся нагрузок.

Предел выносливости – это максимальное напряжение, при котором образец не разрушается после бесконечного или заданного числа циклов нагружения. Предел выносливости обозначается σ_{- 1}.

Выносливость зависит от живучести, определяющей продолжительность работы детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости (размером 0,5…1,0 мм) до разрушения.

Усталостный излом всегда имеет две зоны разрушения: усталостную зону предварительного разрушения с мелкозернистым, часто ступенчато-слоистым строением, иногда с отдельными участками блестящей поверхности, и зону долома, носящую характер вязкого или хрупкого (в зависимости от свойств материала) разрушения.

 

 

Вопросы теста.