Литобзор
Из 104 элементов периодической системы Д. И. Менделеева 82 элемента являются металлами. Все металлы являются кристаллическими телами, в которых атомы расположены закономерно и периодически.
Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого количества мелких различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Вследствие условий кристаллизации, кристаллы имеют неправильную форму называются кристаллами или зернами металла.
Металлы в твердом состоянии и отчасти в жидком состоянии обладают высоко тепло - и электропроводностью, а также положительным температурным коэффициентом электросопротивления. Большое количество металлов обладает сверхпроводимостью, термоэлектронной эмиссией хорошей отражательной способностью. Наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легко подвижных электронов проводимости. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Атом в стационарном состоянии нейтрален. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра и соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе элементов.
Атомы металлов содержат на внешнем энергетическом уровне небольшое число электронов. Связь электрона с атомом определяется работой выхода электрона, то есть работой, необходимой для удаления из изолированного атома внешнего электрона.
Устойчивость металла, представляющего собой иона – электронную решетку, определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и обобщенными электронами. Такое взаимодействие имеет название металлической связи. Сила связи в металлах определяется силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами, которые не имеют резко выраженного направленного характера. Атомы (ионы) стремятся расположиться на таком расстоянии друг от друга, чтобы энергия взаимодействия была минимальной.
Под структурой понимают строение металла. Структуру металла делят на макроструктуру и микроструктуру. Макроструктура – это строение металла видимое невооруженным глазом или при не большом увеличении. Макро структуру можно исследовать по методике излома и на специальных макрошлифах. Изучение излома – это методика для определения переднего фронта вязкой трещины. В отличие от аморфного тела, кристаллическое тело имеет зернистый излом. По излому определяют о размере зерна, особенностям выплавки и литья (температура литья, скорость и равномерность охлаждения), термической обработки, а, следовательно, свойствах металла. Крупнозернистый излом отвечает более низким механическим свойствам, чем мелкозернистый. Вид излома используют в качестве критерия при определении склонности стали к хрупкому разрушению, для определения трещин. При изучении макроструктуры на специальных макрошлефах образцы вырезают из крупных заготовок или изделий, поверхность которых шлифуют, полируют, а затем подвергают травлению специальными реактивами. Действие реактивов основано на их способности окрашивать и растворять различные составляющие сплавов, также выявлять микро пустоты, трещины по измерениям мезогеометрии излома.
При исследовании макрошлефа можно определить расположение зерен в литом металле; дефекты, нарушающие оплошность металла, а это усадочная рыхлость газовые пузыри, трещины.
Микроструктура показывает взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Для определения микроструктуры из исследуемого металла изготовляют микро шлиф, т. е. не большой образец, одну из плоскостей которого тщательно шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. Микроструктуру металлов наблюдают в оптическом металлографическом микроскопе, в котором изучаемый объект рассматривается в отраженном свете в настоящее время применяется прямой метод исследования трещин на просвет. В этом случае исследуют трещины, их образцы, приготовленные из массивных образцов и прозрачных для электронов. Для изучения металлов применяют электронный микроскоп. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, дает возможность различать детали очень малых размеров.
Выявление микроструктуры при травлении основано на том, что различные фазы протравливаются, не одинаково и поэтому окрашиваются по-разному.
Электронный микроскоп, дающий на один – два порядка большее разрешение, чем оптический позволяет изучить тонкую структуру металла. Один из методов электронной микроскопии это есть наблюдение диффектов кристаллической структуры. Различают косвенные и прямые методы исследования структуры. Косвенные методы основаны на специальной технике приготовления тонких слепков – пленок (реплик), отображающих рельеф травленого шлифа. Исследуя полученную реплику, можно наблюдать детали структуры, минимальный размер которых равен 2 -5 нм.
Прямые методы позволяют исследовать тонкие металлические фольги толщиной до 300 нм. Этот метод дает возможность наблюдать различные не совершенства кристаллик строения: дислокации, дефекты скопления.
А электронном микроскопе изучается не сам метал, а лаковый или кварцевый слепок, полученный с поверхности протравленного шлифа и воспроизводящий детали его рельефа. Электронная микрофрактография изучает с помощью электронного микроскопа вязкие трещины, изломы в стали.
Микроанализ позволяет установить величину, форму и ориентировку зерен, отдельные фазы и структурные составляющие изменения внутреннего строения металлов.
Металл, испытывающий в работе многократные переменные нагрузки разрушается. Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называют усталостью металла, а его свойства сопротивляться разрушению от усталости называют приделом выносливости. В результате усталостного разрушения возникает характерный излом, состоящий из двух зон. Первая зона имеет гладкую притертую поверхность, ее называют зоной усталости, ее образование происходит постепенно. Наиболее слабом участке образуется трещина. Вторая зона у хрупких металлов имеет грубо кристаллическое, а у вязких волокнистое строение. Вязкая трещина возникает на поверхности в первой зоне. В этой зоне сосредоточены максимальные напряжения и разрушения происходят по поверхности действия наибольших растягивающих напряжений. Исследования показали, что если металл выдерживает определенное число циклов без разрушения, то он выдержит такое же напряжение и при значительно большем числе нагрузок. Придел выносливости определяют на вращающемся образце, с приложением изгибающей нагрузки. Испытывают не менее шести образцов.
Многие детали современных машин работают в условиях высоких температур. Повышение температуры влияет на механические свойства, понижают модуль упругости, приделы прочности. Механические свойства при высоких температурах зависят от скорости приложения нагрузки. При высоких температурах и постоянно действующей нагрузки наблюдается нарастание пластической деформации при напряжениях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию.
Пластическая или достаточная деформация – это деформация, которая остается после прекращения действия сил вызвавших ее. При пластической деформации в кристаллической решетке металла под действием напряжений происходит необратимое перемещение атомов. После снятия напряжений в теле наблюдается остаточное изменение формы и размеров образца, при чем оплошность тела или образца не нарушается. При небольшой величине напряжений атомы смещаются не значительно, после снятия напряжений они возвращаются в исходное положение. При увеличении напряжения наблюдается необратимое смещение атомов на параметр решетки, то есть происходит пластическая деформация. В результате развития пластической деформации может произойти разрушение путем сдвига.
В кристаллической решетке сдвиг происходит по плоскостям. Наиболее легкий сдвиг по определенным плоскостям и направлениям объясняется тем, что при этом величина перемещения атомов из одного устойчивого равновесного положения в узле решетки в другое такое же положение будет минимальной. Чем больше элементов сдвига в решетке, тем выше пластичность металла. По современным представлениям пластическая деформация происходит под действием напряжений в результате перемещения дислокации.
Разрушение металла при высоких температурах – это деформация и разрушение по границам зерен. Этот метод объясняет, что по границам зерен, содержащих большое количество дефектов (вакансий, дислокаций, трещин), легко протекают диффузионные процессы. Когда напряжение отсутствует, диффузионные перемещения пограничных атомов не имеют направленного характера. При наличии даже не больших напряжений передвижение атомов на границах зерен способствует ползучести металла и приводит к остаточной дифформации вследствие перемещения одного зерна относительно другого вдоль поверхности их раздела. В результате испытаний определяется наибольшее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенное время на превышает заданной величины. Один из методов для устранения трещин – специальные установки, в которых образец помещается в электропечь и при постоянной температуре подвергается длительному действию постоянно растягивающей силы. В процессе испытания фиксируется деформация образца.
К основным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали относятся трещины – внутренние или наружные, деформации. Трещины возникают при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжение, возникающие в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление, стали разрушение. Трещины образуются при низких температурах. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением стали содержанием углерода, повышением температуры закалки и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местный вырезки, углубления).
Трещины – не исправимый дефект. Для предупреждения их образования существует методика. При конструировании изделий надо избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким. Закалка деталей должна производится с более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; а медленное охлаждение в мартенситном интервале температур достигается ступенчатой закалкой. Должна производится изотермическая закалка сразу же после закалки деталей.
При достаточно высоких напряжениях процесс деформации заканчивается разрушением. Разрушение состоит из двух стадий: заграждение трещины и ее распространение через все сечения образца (изделия).
Возникновение микро трещины чаще всего происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы суп зерен, зерен всевозможные включения), что приводит концентрации напряжений достаточных для образования микро трещины.
В результате взаимодействия дислокаций кристаллической решетки возможны образования трещины. Разрушение может быть хрупким и вязким. Вязкое разрушение, вязкая трещина происходит со значительной пластической деформацией. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины велика, близка к скорости звука. Поэтому ни редко хрупкое разрушение называю «внезапным» или «катастрофическим» разрушением. Вязкому разрушению соответствует большая работа распространения трещины.
По виду микроструктуры разрушения встречаются транскристаллитные и интеркристаллитные. При траскристаллитном разрушении трещины распространяются по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходи по границам зерна. При распространении трещины по телу зерна происходит вязкое разрушение. По внешнему виду излома можно судить о характере разрушения. Волокнистый излом свидетельствует о вязком разрушении. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» разрушением вязкой трещины.
Хрупкое разрушение происходит при напряжениях, лежащих в упругой области, без макропластической информации. Очагом хрупкого разрушения являются микро трещины или те же дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющейся опасной вязкой трещиной разрушения, а не ее зарождением.
Явления, которые происходят у устья трещины описываются с помощью параметра К. Который представляет собой коэфициет интенсивности в вершине трещины, или локальное повышение растягивающих напряжений у конца трещины: К=Y  н с, где Y – безразмерный коэффициент, зависящий от типа образца и трещины. Если высвобождающаяся при разрушении удельная упругая энергия достигает критического уровня, трещина будет расти самопроизвольно. Силовое условие начало самопроизвольного разрушения – достижение параметрам К. Чаще всего К определяют в условиях плоского деформированного состояния, когда разрушение происходит путем отрыва – перпендикулярно плоскости трещины. В этом случае коэфицинт интенсивности напряжения то есть относительное повышение растягивающих напряжений в устье трещина при переходе ее от стабильной к не стабильной стадии роста называют вязкостью разрушения при плоской деформации. Значение параметра позволяет ввести вращает конструкции характеристику трещиностойкости материала, определяющую соотношение критических значений действующего напряжения и размера дефекта. С увеличением номинально напряжения значение параметра уменьшается. Важно что параметр К является структурно чувствительной характеристикой сопротивление металла разрушению.
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжения по середине одним ударом маятникового копра. По шкале копра полную работу, затраченную при ударе.
Под ударной вязкостью понимают работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца вместе концентратора напряжения. Ударная вязкость является интегральной характеристикой, содержащей работу зарождения трещины и работу распространения вязкой трещины. Склонность к разрушению трещины в первую очередь определяется работой распространения трещины. Чем больше работа распространения вязкой трещины, тем меньше возможность внезапного хрупкого разрушения. В настоящее время существует ряд методов раздельного определения работы зарождения трещины и работы распространения вязкой трещины.
Многие металлы, имеющие кристаллические решетки в зависимости от температуры могут разрушаться вязко. Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкости.
Температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому получила название критической температуры хрупкости (порог хладноломкости). Зная порог хладноломкости и рабочую температуру эксплуатации материала, можно оценить его температурный запас вязкости.
Запас вязкости – это интервал температур между порогом хладноломкости и рабочей температурой. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше опасность хрупкого разрушения.
Порог хладноломкости определяют при испытании ударным изгибом надрезанных образцом для разных температур и строят кривую в зависимости ударной вязкости от температуры испытания. Хрупкий и вязкий характер разрушения при ударном изгибе для стали можно различить по виду излома. Порог хладноломкости определяют по проценту волокна матовой, волокнистой составляющей в изломе. За порог хладноломкости принимается температура, при которой имеется 50% волокна. Порог хладноломкости не является постоянной материала, а зависит от его структуры, условий испытания наличия концентраторов напряжения. Чем выше прочность номинального напряжения, тем выше порог хладноломкости.
Разрушение металла под действие повторный или знакопеременных напряжений называют усталостью металла. Трещина чаще всего возникает на поверхности. Сопротивление металла характеризуется наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения за большое число циклов.
Для определения приделов выносливости испытывают не менее 10 образцов. Начиная с первого образца и до последующего, каждый раз снижают или повышают на 20 или 40 МПа в зависимости от числа циклов, вызывающих разрушение первого образца. Результаты испытаний наносят на диаграмму в зависимости напряжения от числа циклов и определяют, сломался образец или нет. Предел выносливости резко снижается при наличии концентраторов напряжении.
С увеличением размера образца предел выносливости уменьшается. Чем тщательнее обработана поверхность образца (детали), тем выше придел выносливости. Сильно понижает придел выносливости карозия.
При изучении механизма и кинетики разрушения анализ излома с помощью фактографии дает возможность определять характер разрушения (хрупкое, вязкое, внутрезеренное) и относительную скорость процесса, а также изменение этих характеристик по мере развития трещины.
При изучении излома можно выявить зоны, где наиболее не благоприятно сочиталить условия нагружения, что нельзя выявить другими методиками. А так же получить сведения о том, как протекал процесс разрушения. Поэтому в настоящее время для фактографии используют электронные микроскопы.
Для изучения атомнокристаллической структуры твердых тел применяют рентгенографические методы исследования. Рентгеноструктурный анализ позволяет определять степень совершенства кристаллов, величину микро напряжений, а так же дает возможность изучать те структурные изменения, которые происходят при пластической деформации и концентрации дефектов.
Образование вязкой трещины связано с реальным строением металлов – наличием различноорентированных зерен, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. В этих условиях при ракетной средней величине напряжений, не превышающей значение придела упругости, фактические напряжения в металле распределяются не равномерно.
Трещины являются сильными концентраторами напряжений и из них образуется микротрещены, далее соединяющиеся в общую трещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения. В отдельных перенапряженных зернах происходит пластическая деформация.
Свойства стали определяются размером действительного зерна. Увлечение его размеров сравнительно мало влияет на предел прочности, но резко снижает вязкость и повышает критическую температуру хрупкости. Следовательно, перегретая сталь с крупным зерном имеет пониженные механические свойства, особенно пластичность и вязкость, т. е. склонна к хрупкому разрушению.
Различные способы магнитного анализа используют при исследовании процессов, связных с переходом из парамагнитного состояния в ферромагнитное. Магнитный анализ широко применяют при решении задач, исследовании влияния на структуру режимов термической обработке деформации.
Метод внутреннего трения основан на изучении необратимых потерь энергии механических колебаний внутри твердого тела. Используя этот метод, можно осуществить расчеты коэффициентов диффузии с высокой точностью, в том числе и при низких температурах, где никакой другой метод не применим, определять изменение твердых растворов, получать информацию определения вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома.
Деформация вызывается действием внешних сил, приложенных к телу, или различными физико-мехническими процессами, происходящими в самом образце (теле).
Наличие в испытуемом образце (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектом металла приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания надреза пиковую концентрацию нормальных напряжений. В связи с этим такие источники концентрации напряжений называют концентраторами напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус концентратора напряжения и чем больше глубина надреза. Т. к. вызываются разными причинами, то различают временные напряжения, обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия. Внутреннее остаточное напряжение возникающие и уравновешивающиеся в приделах тела без действия внешней нагрузки.
Внутреннее остаточное напряжение получается в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения поверхностных и внутренних слоев. Эти напряжения называют тепловыми. Кроме того, напряжения появляются в процессе кристаллизации при неоднородной деформации, при термической обработке вследствие неоднородного протекания структурных превращений по объему по излому. Их называют фазовыми или структурными.
Объемные дефекты имеют значительную протяженность во всех направлениях. Примерами таких дефектов являются усадочные, газовые раковины, трещины, образовавшиеся на различных этапах технологического процесса производства металла. Для кристаллов характерен механизм диффузии который связан с понятием флуктуаций, т. е. беспорядочное отклонение случайных величин в обе стороны от их случайного значения. Наличие флуктуации обусловлено атомной структурой вещества и тепловым движением частиц. Средняя тепловая энергия колеблющихся атомов в зависимости от температуры составляет 0,025-0,2 эВ. В кристаллах наблюдаются вакансии, то есть пустоты. Источниками вакансий являются свободные поверхности кристалла: границы зерен, трещины и поры в внутри кристалла.
Перемещение инородных атомов определяет процесс гетеродеффузии. Когда чужеродные атомы переходят из одного узла решетки переходят в другой, для этого требуется удаление из узла решетки атома основного металла, такой процесс требует значительной энергии.
При встречи вакансий может происходить их скопление, а так же перерождение и другие виды дефектов – в субмикроскопические трещины и линейные дефекты (дислокации). Сток вакансий к существующим трещинам и порам приводит к увеличению размеров трещин. В этом случае имеет место значительное раз упрочнение металла, то есть точечные дефекты оказывают существенное влияние на прочность металлов. Дислокации могут образоваться при кристаллизации. В результате образуется новый единый кристалл с не полностью заполненной атомной плоскостью, которую называю экстраплоскостью. Могут наблюдаться искажения в расположения атомов в кристалле, поэтому по размерным признакам край экстраплоскости создает линейный дефект, который называется дислокация.
Существуют методы изучения кристаллического строения металлов в масштабах зерен и их комплексов. Размеры зерен в поликристалических телах могут колебаться в пределах 0,0001-0,1 см. Поэтому в ряде случаев оценку кристаллического строения можно дать на основе рассмотрения невооруженным глазом или при малых увеличениях. Макроанализ применяется для установления крупных дефектов строения металла, расположения волокон, вызванного соответствующими технологическими процессами. Макро анализ поверхности разрушения деталей позволяет установить причины вызвавшие разрушение. Для изучения микроструктуры (образования трещин, расположения зерен) применяется микро структурный анализ, в котором используются электронные микроскопы.
Изменение свойств металла после пластической деформации связано с ростом дислокации, которая характеризуется суммарной длинной дислокации, содержащихся в одном сантиметре кубического металла. Деформации сопровождается дроблением блоков в кристаллах. Наклеп металла сопровождается изменением и других физических свойств, происходит уменьшение коррозионной стойкости. Вязкое разрушение, в результате чего образуется вязкая трещина происходит путем сдвига под действие касательных напряжений. Плоскость скольжения расположена под углом 450 к направлению главных нормальных напряжений. Большинству реальных материалов присуще как вязкое, так и хрупкое разрушение. Характерным признаком вязкого разрушения является энергоемкость, т. е. величина работы разрушения, вид трещины, поверхность излома и скорость распространение трещины. При образовании вязкой трещины затрачивается большая работа. Для развития вязкой трещины необходим непрерывный внешний подвод энергии расходуемой на пластическое деформирование металла впереди растущей трещины и преодоления возникающего при этом упрочнения. При этом работа, затрачиваемая на пластическую деформацию, значительно превышает работу собственного разрушения.
При вязком разрушении трещина имеет большой угол раскрытия (тупая трещина), поверхность разрушения характеризуется значительной степенью пластической деформации. При низких температурах межзеренные границы обычно прочнее самих зерен, поэтому у большинства металлов при низких температурах разрушение имеет транс кристаллический характер и проходит по зернам, а не по границам между ними. При повышенных температурах межзеренные границы обычно слабее зерен. Поэтому разрушение при повышенных температурах имеет меж кристаллический характер.
Излом при вязком разрушении имеет волокнистый характер без металлического блеска, которое обнаруживается с помощь. Электронно-микроскопического исследования. Скорость распространения вязкой трещины значительно ниже и определяется скоростью нарастания напряжений, поэтому в случае вязкого разрушения необходимо повышать прочность материала. Уровень разрушающих напряжений определяется наиболее энергоемкой фазой. Существует ряд моделей дислокационного механизма зарождения трещины. Согласно общей модели Зинера, краевые дислокации движутся по плоскости скольжения к препятствию. Если при подходе они не могут одолеть этот «непрозрачный» барьер, то образуется нагромождение дислокаций, возникает концентрация напряжений. При этом в этой зоне напряжение может превысить приложенное напряжение.
Когда напряжения превзойдут силы межа томной связи материала, возникает микро трещина. Следующей стадией разрушения является подрастание зародышевой микро трещины до трещины критического размера, когда будет достигнута критическое соотношение между действующим напряжением и длинной трещины. Росту трещины способствует взаимодействие полей напряжение у ее вершины.
Таким образом, стадии зарождения микротрещины и ее подрастание до критического размера являются следствием движения дислокаций, т. е. пластической деформацией металла.
Дефекты типы трещин являются концентраторами напряжений, которые тем больше чем острее трещина и больше ее длина. В случае достаточно острой и длинной трещины напряжение вблизи ее вершины могут достигать значений, превышающих разрушающее напряжение материалов даже при сравнительно малом приложенном напряжении. Чтобы предсказать поведение трещины необходимо провести метод напряженного состояния вблизи вершины трещины. При продвижении трещины имеют место процессы: высвобождения упругой энергии, запасенной системой и затрата энергии на образование новых поверхностей трещины. Хрупкая тонкая пластина единичной толщины находится под действие внешних сил, которые создают напряжение. Поведение трещины в растягиваемой пластине зависит от того в какую сторону будет меняться общая энергия пластины при малом превращении длины трещины. Если с ростом трещины энергия пластины будет уменьшаться, то трещина будет расти без внешнего дополнительного воздействия, т. е. самопроизвольно. Рост трещины связан с пластической деформацией идущей впереди вершины трещины. При плоской деформации зона пластической деформации значительно меньше, чем в случае плоского напряженного состояния.
Вязкая трещина определяется относительным развитием нормально и наклонно участков разрушения. У достаточно толстых образцов с высоко развитой поверхность нормально разрушения вязкость разрушения приближается к предельному значению в условиях плоской деформации. Знания вязкости разрушения позволяет определять максимально допустимые напряжения конструкции при наличии трещин определенной длины.
Статические, динамические и циклические испытания сопротивления развитию вязкой трещины сводятся к следующему в образцах определенной формы и размера наводится искусственная трещина. Затем производят нагружение образца с одновременной записью нагрузки и смещения берегов трещины. Имеются виды образцов для определения вязкости разрушения при нагружении: цилиндрический образец с кольцевым надрезом и трещиной для испытаний на осевое растяжение и изгиб; плоский образец с центрально сквозной трещиной на осевое растяжение, плоский образец с боковым односторонним надрезом и трещиной для испытаний на растяжения плоский образец с боковым надрезом и трещиной для испытаний на сосредоточенный изгиб. Форму и размеры образцов для определения характеристик вязкости разрушения выбирают с учетом цели испытания и назначения. Вовремя опыта производится автоматическая запись данных о нагрузке на образец и росте трещины. После того как образец трещины подготовлен, он устанавливается в испытательной машине и производится его непрерывное нагружение с одновременной записью диаграммы нагрузка. Образцы должны иметь толщину, обеспечивающую разрушения в условиях плоской деформации. Основным недостатком испытаний на вязкость разрушения в условиях плоской деформации является необходимость использования больших образцов при исследовании материалов средней и низкой прочности.
Вязкость разрушения тесно связана с показателями прочности материала увеличение прочности сопровождается снижением пластичности и вязкости разрушения. Это объясняется тем, что у высокопрочных материалов мала энергия, поглощаемая при разрушении уровень которой определяется величиной пластической деформации у вершины трещины. Для высокопрочных материалов эффект увеличения прочности существенно перекрывается снижением пластичности, в результате чего вязкость разрушения уменьшается. Материалы средней и низкой прочности при комнатной температуре обычно имеют более высокие значения, чем высокопрочные с понижением температуры прочность растет и при определенных условиях поведение материала средней и низкой прочности становится таким же, как у высокопрочного материала при комнатной температуре. При низких температурах испытание вязкости разрушения можно проводить на образцах меньших размеров.
Размер зерна поле кристаллических материалов является одним из основных параметров микроструктуры. Уменьшение размеров зерен позволяет увеличить прочность и вязкость металла, поэтому при измельчении зерна возрастает вязкость разрушения. Использование такого метода как контроль процесса выплавки и особенно раскисления стали, понижение температуры конца прокатки, термоциклическая и термомеханическая обработка, которые способствуют измельчению зерна, позволяет одновременно повысить вязкость разрушения.
Влияние лидирующих элементов на вязкость разрушения, прежде всего, обусловлено их воздействием на величину зерна. Элементы, которые способствуют измельчению зерна, повышают вязкость разрушения, а элементы, упрочняющие твердые растворы наоборот понижают вязкость разрушения. Знания параметров вязкости разрушения позволяют обеспечить надежность конструкции, это важно в тех случаях, когда применяются высопрочные материалы в новых проектах, которые не имеют аналогов в прошлом, а безопасность изделий должна быть, бесспорно, обеспечена.
Оценку для определения переднего фронта вязкой трещины можно найти по виду излома разрушегося образца. Метод основан на определении соотношения площадей вязких и хрупких участков излома ударных образцов. Вязкий излом имеет характерное строение с пепельным оттенком. С понижением температуры количество волокнистой составляющей в изломе снижется, появляются блестящие участки. Обычно за критическую температуру принимают такую, при которой доля волокнистой структуры равны 50%.
В большинстве случаев надо определять не только общую работу разрушения при ударном изгибе, но и ее составляющие, а именно работу за рождение и работу развития трещины. Работа зарождения переднего фронта вязкой трещины зависит от радиуса надреза. Чем острее надрез, тем меньшая работа нужна для зарождения трещины. Работа развития трещины мало зависит от мезогеометрии надреза и лучше характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. Для ее определения обычно используют образцы заранее инициированной трещины. При испытании пластичных материалов работа разрушения образца с трещиной превышает истинную работу развития вязкой трещины на величину работы пластической деформации, расходуемой на изгибную и поперечную макродеформации.
Метод определения – ударной вязкости основан на линейной зависимости ударной вязкости от радиуса надреза.
Один и тот же материал под действием различных приложенных нагрузок может давать хрупкий или вязкий излом. Излом называют вязким в том случае если до разрушения материал обладал значительной пластичностью. Определение переднего фронта вязкой трещины заключается в испытании на ударную вязкость. Это один из методов который состоит в следующем: испытание на изгиб, испытание образца имеющего надрез и испытание действием ударной нагрузки. Испытания на вязкость, вязкой трещины позволяют изучать процессы старения, контролировать правильность термообработки и испытывать сварные соединения. Преимущество этого метода состоит в быстроте, малом расходе материала.
Распределения нагрузки в изотропном теле может быть описано шестью компонентами при условии использования мезогеометрии. В координатных плоскостях действуют нормальные компоненты напряжения и тангенциальные компоненты напряжения. С помощью этих главных напряжений могут быть рассчитаны сдвигающие усилия, действующие в других плоскостях. Сумма главных напряжений может быть равна 0, в этом случае систему называют деформационной. Действие нормальных напряжений вызывает упругое искажение атомной решетки.
В отличии от нормальных напряжений здвиговые напряжения могут вызывать пластическую деформацию, обусловленную сдвигом атомных слоев. При гидростатическом напряженном состоянии сдвигающие усилия отсутствуют. Это значит, что вплоть до наступления хрупкого излома материал не деформируется. При наличии деформационной системы наступит момент, что разрушение произойдет после заметной пластической деформации. Такой метод распределения напряжений по трем координатных осям может быть применен к определением вязкой трещины по измерениям мезогеометрии излома. В результате этого возникает местное растяжение материала, надрез выполняет сужение сечения, надрез устраняет появления сдвигающих напряжений.
Самый важный параметр - величина ударной вязкости. Чаще применяют методику, по которой определяют отношение площади кристаллического пятна на поверхности излома к общей величине сечения образца до разрушения на участках, которые имеют кристаллическую поверхность излом носит хрупкий характер. Для получения более точных результатов данную поверхность излома проектируют в увеличенном виде на матовое стекло.
Другой важный параметр – угол, который образуют после испытаний обе половины образца с центральной осью проходившей через образец до испытаний.
Оба эти метода то есть определение величины кристаллического пятна и угла изгиба металла, имеют перед методом определения работы при разрушении металла то преимущество, что найденные значения всегда могут быть проверены, если сохранить испытанный образец. Скорость, в которой груз ударяет по данному образцу, составляет 5-7 метров за секунду. Работа, затраченная на разрушение образца может быть найдена сравнительно просто, экспериментальное же определение силы удара и деформация образца, то есть нахождение составляющих интегралов работы сопряжено с большими трудностями.
Сила, которая производит работу, может дать испытания на ударную вязкость. Трещины начинают появляться в образце чаще еще до достижения максимума. Трещина при этом увеличивается, в то время как изгиб образца не меняется.
Ударная вязкость стали уменьшается при увеличении содержания углерода, серы, фосфора и азота. Ухудшение ударной вязкости наблюдается: участок крутого спада температурной кривой зависимости, ударной вязкости смещается в сторону более высоких температур. Ударную вязкость часто измеряют для контроля правильности термообработки.
С увеличением мелкозернистости структуры растет ударная вязкость, и участок резкого спада смещается в сторону более низких температур. Контроль ударной вязкости – единственный метод обнаружения закалочной хрупкости. Закалочной хрупкостью обладает такая сталь, которая при медленном охлаждении обладает меньшей вязкостью.
Микроанализ применяется для определение формы и размеров кристаллических зерен, атак же для выявления микро трещин. Для выявления микроструктур производится травление. Для травления полированной поверхности образцов наиболее часто применяются растворы кислот щелочей и солей. Травление производится или погружением образца в травитель, или нанесением тавителя на полированную поверхность образца. После травления микро шлиф промывается и высушивается, для выявления структуры высоко лисированных специальных сталей применяют электролитическое травление. Выявление структуры может быть так же произведено нагревом полированного образца. Этот способ основан на том, что при нагреве его структурные составляющие окисляются не одинаково быстро и окисляются в различные цвета.
После травления микро шлиф устанавливается микроскоп, и микроструктура рассматривается в отраженном свете. При рассмотрении на металлографическом микроскопе видна структура металла, потому что отдельные структурные составляющие травятся по-разному, одни сильнее другие слабее. При освещении протравленного микро шлифа лучи света будут по-разному отражаться от различно про травившихся структурных составляющих, одни слабее другие сильнее, поэтому одни будут светлее другие темнее. Таким образом, на разнице в состоянии поверхности и количестве отраженных лучей и основана выявления микро трещин металла.
Высокопрочные и средне прочные материалы характеризуются низкими значениями вязкости разрушения. Вязкость большинства материалов работающих при низких температурах достаточно высока, что затрудняет при расчете использование методов механики разрушения. Величина коэффициентов запаса не имеет достаточно теоретического обоснования и в значительной степени обусловлено сложившимися традициями расчета. Пластичность характеризует способность металла подвергаться остаточной деформации, а вязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении.
Конструкционные стали кроме высоких механических свойств должны иметь высокую прочность. К свойствам, определяющим надежность материала против внезапных разрушений относятся: прочность, долговечность. Конструкционная сталь должна обладать хорошими технологическими свойствами – легко обрабатываться давлением иметь малую склонность к деформации и трещенообразованию при закалке.
Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой гарячекатанной, калиброванной и шлифованной стали, в виде листов полос фасованных профилей. Для получения более чистой по примесям стали ее рафинируют жидким синтетическим шлаком в ковше, применяют так же эллектрошлаковый переплав. В некоторых случаях проводят вакумнодуговой и выплавку вакуумных индукционных печах. Применение рафинирования снижает загрязненность стали. Данные методы выплавки повышают ударную вязкость и трещиностойкость, сто объясняется повышением чистоты стали. Порог хладноломкости в результате рафинирования в стали меняется мало, снижается анизотропия свойств пластичности и вязкости.
|