Урок 18. ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И ПУТИ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ

Вопросы для повторения:

1. Выявление дефектов по макроструктуре металла.

2. Расскажите о физических методах исследования металлов.

3. Объясните метода контроля изделий без разрушения.

Увеличение прочности металла повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей машин, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.

Техническую прочность определяют значениями: предала текучести, предела упругости, предела выносливости, модуля упругости, сопротивления разрушению и временным сопротивлением.

Предел текучести - основной показатель механической прочности металла, по которому ведут расчеты на прочность при статическом нагружении и величина которого определяет допустимые напряжения. Следовательно, более высокое значение предела текучести приводит к уменьшению сечения и массы деталей. Важное значение для расчетов на прочность имеет предел выносливости.

Под теоретической прочностью понимают сопротивление деформации и разрушению, которое должны были бы иметь материалы согласно физическим расчетам с учетом сил межатомного взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смешаются относительно друг друга под действием напряжений сдвига. Исходя из кристаллического строения и межатомных сил, можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по формуле , где G - модуль сдвига.

Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100 - 1000 раз больше технической прочности, это связано с дефектами в кристаллическом строении и прежде всего с существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций. Возможны два основных способа повышения прочности: создание металлов и сплавов с бездефектной структурой и повышение плотности дефектов, в том числе и дислокаций,. а также структурных препятствий, затруднявших движение дислокаций.

В настоящее время удалось получить кристаллы практически без дислокации. Это нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной 2 – 10 мм и толщиной от 0,5 до 2,0 мкм), так называемые "усы"; прочность их близка я теоретической.

Если количество дефектов (дислокаций, точечных, поверхностных дефектов и т.д.) кристаллического строения превышает критическую величину, то дальнейшее увеличение их числа, так же как и уменьшение, упрочняет металл.

На этой закономерности основаны все практически применяемые методы упрочнения металлов и сплавов, деформационное упрочнение (наклеп), легирование, термическая обработка и т.д.

Используя одновременно различные методы упрочнения, можно повысить предел текучести (σ_т), предел прочности (σ_в) и сопротивление разрушению (ρ_к), но при этом одновременно снижаются пластичность и вязкость (металл охрупчивается). Если у поликристаллического железа σ_т =10 + 12 кгс/мм², то после упрочнения образцов стали можно получить σ_т =300 кгс/мм². Однако опыт применения высокопрочных материалов показывает, что изготовление из них конструкции (изделия) нередко разрушаются хрупко, внезапно, при напряжениях, меньших предела текучести.

Следовательно, для обеспечения надежности изделия против внезап­ных разрушений, кроме высокого предела текучести, материал должен обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Для определения сопротивления хрупкому разрушению чаще проводят испытания на удар. Ранее считалось, чем выше сопротивление удару α_Н, тем лучше качество металла. Это во многих случаях не соответствует действительности.

Определяемая ударная вязкость является суммарной величиной: α_Н=α_З+α_Р;

где α_З - работа, затрачиваемая на деформацию образца (в основном на макропластическую деформацию) до зарождения трещины; α_Р - работа, затрачиваемая на распространение трещины.

При хрупком разрушении величина α_Р = 0. Поэтому при хрупком изломе работа разрушения определяется в основном величиной α_З. При вязком или полухрупком разрушении главной характеристикой вязкости металла является величина α_Р.

В металле всегда имеются различные дефекты, которые служат зародышами трещин. Поэтому надежность материала определяется главным обра­зом величиной работы распространения трещины.

При одной и той же прочности величины пластичности и вязкости зависят от многих факторов. Характер разрушения зависит от вида напряженного состояния в образце, конструкции или детали. При данном сопротивлении сплава нормальным и касательным напряжением разрушение может быть вязким и хрупким в зависимости от относительной величины напряжения каждого типа. Так, высокоуглеродистая закаленная сталь при растяжении или изгибе разрушается хрупко путем отрыва, а при кручении вязкопутем среза.

Надрезы, т.е. резкие изменения сечения, могут сильно ухудшить работу изделий. Действие надрезов, сквозных отверстий, резьбы и т.п., внутренних дефектов металла (неметаллические включения, графитные выделения в чугуне, трещины и др.) приводят к неравномерному распределению напряжений, создания концентрации напряжений. Поэтому всевозможные надрезы, отверстия, галтели и т.д. подучили название концентраторов напряжений. Неравномерное распределение напряжений иногда повышает сопротивление пластической деформации, но всегда уменьшает пластичность. Чем острее надрез, тем больше сказывается его влияние на механические свойства металла, снижая сопротивление хрупкому разрушению. Поэтому надрез нужно отнести к числу факторов, способствующих переходу металла в хрупкое состояние.

Контрольные вопросы:

1. Какими значениями характеризуется техническая прочность металлов?

2. Как определяется теоретическая прочность металлов?

3. Как влияют концентраторы напряжений на прочность конструкций?

Поиск по сайту: