Чем обуславливается реальная прочность металлов

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Описанный механизм возникновения и распространения сдвига является основной причиной пониженной реальной прочности металлов по сравнению с теоретической. [16]

В основе создания сверхпрочных материалов лежит современное представление о дислокациях ( искажения атомно-кристаллических пространственных решеток), как о первопричине наблюдающегося расхождения между реальной прочностью металлов и теоретической, предсказываемой на основании величины атомных связей в кристаллических решетках. [18]

В основе работ по созданию сверхпрочных материалов лежит современное представление о дислокациях ( местные искажения атомно-кристаллических пространственных решеток), как о первопричине наблюдающегося расхождения между реальной прочностью металлов и теоретической, предсказываемой на основании величины атомных связей в кристаллических решетках. [20]

Существует и другой путь упрочнения металлов. Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. [23]

Доказано, что реальная прочность металла падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций, реальная прочность металла вновь начинает повышаться, так как в металле возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. [25]

Повышение реальной прочности с возрастанием плотности дислокации объясняется тем, что при этом возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. Таким образом, дислокации будут мешать друг другу перемещаться и реальная прочность металла повысится. [26]

Для того чтобы сдвиг произошел путем одновременного смещения одной части кристалла относительно другой, как это показано на рис. 2.1, а, потребовалось бы усилие, в сотни раз превышающее затрачиваемое при деформации реального металла. Рассмотрим, как происходит процесс скольжения в реальном металле и почему реальная прочность металла значительно ниже теоретической. [28]

Источник

Электронная библиотека

Ранее было отмечено, что на механические свойства мате­риалов, и в частности металлов, основное, решающее влияние ока­зывают поверхностные дефекты, дислоцированные по границам кристаллических зерен и блоков.

На границах зерен металлов скапливаются легкоплавкие неме­таллические примеси (например, сульфиды и фосфиды, окислы, мелкие поры и т.д.), которые резко ухудшают механические свойства. Тугоплавкие включения (например, МnS, с Т_лл = 1620°С; А1₂О₃ с Т_пл = 2050°С), наоборот, входят внутрь зерна; они являются центрами кристаллизации, и при этом образуется мелкозернистая структура, что приводит к существенному увеличению механической прочности (σ_в).

Наличие в реальных кристаллах большого количества дислока­ций и вакансий приводит к значительному снижению механической прочности. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг на 3 – 4 десятичных порядка ниже расчетной прочности идеальных кристаллов. Или – у технически чистого отожженного образца Fе, содержащего 0,1…0,2 % примеси, предел прочности на разрыв σ_в = 28 кгс/мм 2 (280 МПа), а у нитевидных кристаллов («усов») чис­того Fе с содержанием примеси 0,001 %, у которых дефекты сведены к минимуму (практически нет), σ_в = 1336 кгс/мм 2 (13360 МПа), т.е. у «усов», больше в 48 раз, чем у технически чистого Fе. Однако у стали (железа, «испорченного» углеродом и другими присадками и поэто­му имеющего высокую концентрацию дефектов) σ_в больше, чем у чистого железа, в 6—8 раз и равно 180…220кгс/мм 2 (1800…2200 МПа).

Приведенные данные показывают, что самую высокую прочность имеет железо, содержащее либо минимальную, либо максимальную кон­центрацию дефектов. Следовательно, прочность кристаллических тел с увеличением концентрации дефектов (дислокаций) до какого-то предела снижается, а далее возрастает. Это явление объясняет дислокационная теория пластической деформации.

Важнейшее свойство дислокаций – их легкая подвижность и активное взаимодействие между собой и с любыми другими дефек­тами решетки. Это взаимодействие затрудняет перемещение дисло­каций в кристалле и тем самым упрочняет его. Чтобы вызвать дви­жение дислокаций, достаточно создать в кристалле небольшое напряжение сдвига (например, 0,1 кгс/мм 2 ). С увеличением пласти­ческой деформации кристалла плотность дислокаций возрастает в тысячи, иногдав миллионы раз (в недеформированных металли­ческих кристаллах через площадку в 1 см 2 проходит 10 6 …10 8 дисло­каций).

При этом возрастает также концентрация других дефектов, которые затрудняют перемещение дислокаций; в результате кри­сталл упрочняется.

Легирование – это введение в металл небольших количеств спе­циальных примесей, которые приводят к значительным его струк­турным изменениям. Легирующие добавки сильно взаимодействуют с дислокациями и затрудняют их движение, улучшая тем самым ме­ханические характеристики.

Закалка – это термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла выше температуры фазового превращения в твердом состоя­нии, выдерживании при этой температуре и контролируемом уско­ренном охлаждении. В результате этих операций в металле увеличи­вается концентрация дефектов, в том числе плотность дислокаций, а также образуется мелкозернистая структура, поэтому протяженность границы между зернами резко возрастает. Сама же граница трудно­проходима для дислокаций, что приводит к затруднению их движе­ния и упрочнению металла.

Наклеп – это обработка металлической заготовки путем прокат­ки, ковки или волочения. В результате пластической деформации металла увеличивается плотность дислокаций (и концентрация дру­гих дефектов), а главное – дислокации при этой обработке перепле­таются, что приводит к затруднению их движения и упрочнению ме­талла. На этом принципе было основано производство дамасской стали.

Указанные технологические операции (легирование, закалка, на­клеп) создают оптимальную концентрацию дислокаций.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Источник

Теоретическая и реальная прочность твердых тел. Роль дефектов и трещин

МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Лекция N 2

Рассчи­танная прочность в отличие от найденной экспериментально назы­вается теоретической.

Теоретическая прочность зависит от природы сил взаимодейст­вия между частицами (ионная, ковалентная, металлическая связь и др.) и от структуры материала.

Например, Орован предложил формулу

где — свободная поверхностная энергия твердого тела;

Более упрощенной является зависимость

Если величина перена­пряжения () у вершины наиболее опасной трещины равна тео­ретической прочности (), то происходит быстрый рост трещины и образец разделяется на две части. Приложенное напря­жение при этом соответствует так называемой максимальной тех­нической прочности ().

Коэффициент концентрации напряжения в вершине микротрещины равен. Он зависит от формы и размеров трещины, ее ориентации по отношению к направлению растяжения. Поэтому максимальная техническая прочность не является константой материала.

Максимальную техническую прочность Гриффитс рас­считывал из условия: трещина растет только тогда, когда умень­шение упругой энергии в образце в процессе ее роста (за счет разгрузки материала вокруг растущей трещины) равно или боль­ше увеличения потенциальной энергии, происходящего при обра­зовании новых поверхностей разрыва. (По русски: прочность зависит от поверхностной энергии, когда образец рвется поверхностная (потенциальная) энергия увеличивается, а упругая энергия уменьшается. Когда Упр. Эн. Уменьшается сильнее чем увеличиваеться Пот. Эн. Образчу пиздец)

Формула Гриффитса. Изменение упругой энергии (ΔW) в образце в виде тонкой пластинки при образовании в ней трещины длиной (С), ориентированной перпендикулярно направ­лению растяжения, равно

,

Изме­нение упругой энергии является отрицательной величиной. По­верхностная энергия трещины длиной (с) равна (). Следовательно, при увеличении длины трещины на малую величи­ну (d_c) упругая энергия уменьшается согласно выражению (3.2) на . Одновременно поверхностная энергия увеличивает­ся на .

По Гриффитсу условием разрушения является равенство этих изменений энергии. Из этого следует, что максимальная техничес­кая прочность пластинки с внутренней трещиной длиной (с) равна

,

в случае плоского напряженного состояния.

При наличии краевой микротрещины, длина которой l вдвое меньше длины внутренней трещины

.

Из этих формул следует, что в средах, уменьшающих свободную поверхностную энер­гию, прочность уменьшается.

Дальнейшие исследования позволили уточнить условии, при которых трещина Гриффи­тса будет расти или смыкать­ся

(Изменение энергии (W) при образовании в ней трещины длиной (С))

Если длина трещины больше критической длины, то дальнейшее ее увеличение приведет к уменьшению общей энергии образца и тре­щина должна самопроизвольно расти.

Если трещина меньше кри­тической, то к уменьшению общей энергии приведет ее уменьшение и трещина должна самопроизвольно смыкаться. При большем напряжении критическая длина трещины, при которой она является неустойчивой, меньше чем при малом, т. е. = const.

Очагом зарождения трещин являются различные микродефекты:

Хрупкому разрушению металлического монокристалла всегда предшествует местная пластическая деформация, в ходе ко­торой формируются дислокационные микронеоднородности, являющиеся концентраторами внутренних напряжений и вызывав поэтому зарождение и развитие трещины. Происхождение и форма трещины зависят прежде всего от того, с хрупким или пластичес­ким материалом мы имеем дело.

Можно выделить три основных типа разрушения твердых тел.

Первый тип разрушения проявляется, когда дефекты в объеме и на поверхности одинаковы по степени опасности или возникают одновременно в процессе деформирования. Тогда во всем образце одновременно развивается множество микротрещин, которые за тем сливаются в одну магистральную трещину. При этом вся по­верхность разрыва образна шероховатая. Так разрушаются поли­кристаллы, в которых микротрещины возникают в кристаллитах в результате пластической деформации и на ослабленных границах зерен. В монокристаллах множество предразрывных трещин воз­никает вследствие местных пластических деформаций в различ­ных местах объема.

Второй тип проявляется, когда поверхностные дефекты опаснее внутренних и степень опасности отдельных поверхностных дефек­тов примерно одинакова. В этом случае при определенных услови­ях трещины растут единым фронтом кцентру образца. Так разру­шаются нехрупкие твердые полимеры при малых напряжениях и больших временах испытаний.

Третий тип разрушения проявляется, когда на поверхности или в объеме хрупкого материала имеется выделяющийся по степени опасности дефект, от которого растет первичная трещина. По мере роста первичной трещины напряжение (σ’) в оставшемся нераз­рушенном сечении образца становится все больше по сравнению с исходным номинальным напряжением, рассчитанным на все попе­речное сечение; вследствие этого рост трещины ускоряется. Когда нарастающее напряжение σ’ становится равным, а затем превос­ходит критическое σ_к, происходит переход от первой стадии раз­рыва ко второй и первичная трещина растет со скоростью, близ­кой к критической (υ_K). Вторичные трещины начинают быстро рас­ти в оставшемся сечении при . Они образуют шероховатую зону поверхности разрушения, которая покрыта линиями скола, возникающими при встрече фронтов растущих трещин. Третий тип разрушения характерен для таких хрупких, твердых тел, как алмаз, ионные кристаллы, хрупкие пластмассы, керамические ма­териалы, неорганические стекла.

Источник

Теоретическая и практическая прочность металлов.

Теоретический расчет прочности кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

На рис. 5.1. межплоскостное расстояние (расстояние между рядами) принято равным а, а расстояние между атомами в направлении скольжения составляет Ь. Под действием сдвигового напряжения х атомные ряды будут смещаться относительно друг друга, попадая в равновесные позиции в таких точках, как А и В, где напряжение сдвига, необходимое для сохранения данной конфигурации, равно нулю. Это напряжение равно нулю также и в случае, когда в обоих рядах атомы располагаются точно друг над другом в положениях С и D. В промежуточных позициях напряжение имеет какие-то конечные значения, которые периодически меняются в объеме решетки. Если под действием сдвигового напряжения смещение составляет х, то напряжение будет являться периодической функцией х с периодом Ъ. В наиболее простой форме эта зависимость может быть представлена в виде синусоидальной кривой (см. рис. 5.1):
х = ksm(2nx/b). (5.1)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига.
Если приравнять приведенные выражения для х, то; х = Gb/lmi; подставляя это значение х в соотношение (5.1), получим:
х = ksin(2nx/b)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига. Дальнейшие расчеты приводить не будем.

Если принять, что а =Ь, тогда теоретическое критическое напряжение сдвига приближенно равно G/2n. Например, для кристаллов меди G = 46 ООО МПа, следовательно, теоретическое значение т = 7320 МПа. В то же время для реальных кристаллов меди наблюдаемое сопротивление сдвигу составляет всего лишь 1,0 МПа. Таким образом, теоретическое значение прочности на несколько порядков выше действительной величины.

Уточнение приведенного выше расчета путем использования более близкого к действительности закона периодического изменения т в зависимости от х приводит к выражению ткр = G/30 (расчет по Маккензи), что также на несколько порядков превышает реальное сопротивление сдвигу.

Аналогичные рассуждения можно провести для случая, когда в результате действия нормальных напряжений происходит одновременный разрыв межатомных связей для двух рядов атомов и образуется трещина. Работа, затрачиваемая на разрушение, расходуется на создание двух новых поверхностей, обладающих поверхностной энергией уг. Теоретическую прочность идеального кристалла, определенную из условия равенства работы отрыва двух рядов атомов и поверхностной энергии, образованной при этом трещины.

Фактическая прочность материалов на несколько порядков меньше значений теоретической прочности. Объяснение расхождения теоретической и реальной прочности материалов дает теория дефектов кристаллического строения, позволившая раскрыть сущность явлений, происходящих при пластической деформации, и установить физическую природу пластичности и прочности металлов и их сплавов.

Остаточные напряжения. Наклёп.

Наклеп на сегодня является широко известной операцией, которая доказала свою необходимость во многих сферах применения, основными принципами которых являются:

· Остаточные напряжения. Классификация

В процессе производства деталей возникают технологические остаточные напряжения. Их появление связано с условиями изготовления деталей.

Виды остаточных напряжений

Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50. 200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Фазовые превращения (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твёрдого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объёма отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникать из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры при низких температурах остается постоянным.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой плотности дислокаций, реальная прочность вновь начинает возрастать. [2]

Для определения реальной прочности металла сварных соединений проводились испытания на растяжение образцов с уже имеющимися дефектами в корне швов, выполненных электродуговой сваркой ( непровары и подрезы), и в зоне сварки стыков, выполненных газопрессовой сваркой ( несплавления в стыках), причем наружная и внутренняя поверхности образцов механически не обрабатывались. [3]

Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. [5]

Доказано, что реальная прочность металла падает с увеличением числа дислокаций только вначале. Достигнув минимального значения при некоторой критической плотности дислокаций, реальная прочность металла вновь начинает повышаться, так как в металле возникают не только параллельные друг другу дислокации, но и дислокации в разных плоскостях и направлениях. [7]

Оказывается, что реальная прочность металлов падает с увеличением числа дислокаций только вначале. [9]

Второй способ повышения реальной прочности металлов заключается в изменении структурного состояния материала при заданном постоянном уровне сил межатомных связей. [10]

Такие дислокации будут мешать друг другу перемещаться и реальная прочность металла повысится. [12]

Описанный механизм возникновения и распространения сдвига является первопричиной пониженной реальной прочности металлов по сравнению с теоретической. Перемещение площадки облегченного скольжения продолжается до Тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристаллического блока или не встретится с препятствием. [13]

Источник