Разрушение металлов

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение                        3

1 Механические свойства металлов                4

2 Упругая и пластическая деформация                                                   5

Заключение                 14

Список  использованных источников              15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Введение  

      Изменение структуры материала в пределах пластической зоны называется пластической деформацией. При наличии пластической деформации происходит вязкое разрушение. Оно наблюдается в пластичных материалах, когда пластическая деформация материала достигает такой величины, что он разделяется на две части. Разрушение происходит в результате процесса зарождения, слияния, и распространения внутренних пор.

      Один  и тот же материал может разрушаться  и хрупко и пластично в зависимости от условий, в которых протекает разрушение. Сталь и алюминий при обычной температуре, при правильной форме деталей (стержней) и в простых случаях действия сил (растяжение, сжатие, кручение или изгиб) оказывают меньшее сопротивление сдвигу, чем отрыву, и разрушаются пластично. Однако при пониженных температурах, при предварительной вытяжке или неправильной форме деталей, затрудняющих деформацию сдвига (при явлении концентрации напряжений), при более сложных напряженных состояниях, а также в результате других причин сопротивление сдвигу (пластическим деформациям) может оказаться повышенным и превзойти сопротивление отрыву, вследствие чего материал разрушится хрупко. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      1 Механические свойства металлов 

      Когда на металлический образец действует сила или система сил, он реагирует на это, изменяя свою форму (деформируется). Различные характеристики, которыми определяются поведение и конечное состояние металлического образца в зависимости от вида и интенсивности сил, называются механическими свойствами металла. Интенсивность силы, действующей на образец, называется напряжением и измеряется как полная сила, отнесенная к площади, на которую она действует. Под деформацией понимается относительное изменение размеров образца, вызванное приложенными напряжениями [1].

      Большинство деталей машин, обрабатываемых на металлорежущих станках, изготавливается из металлов и их сплавов. Наибольшее распространение имеют чугуны и стали, в меньшей степени - цветные металлы. Для режущих инструментов широко применяются твердые сплавы и абразивные материалы. Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью. 
Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространенны два способа определения твердости - твердость по Бринеллю и твердость по Роквеллу. 
Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. 
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA. Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, о черной шкале и обозначают HRCэ. Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов.  
 Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности. 
 Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. 
При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах [2]. 

      2 Упругая и пластическая деформация 

      Если  напряжение, приложенное к металлическому образцу, не слишком велико, то его деформация оказывается упругой – стоит снять напряжение, как его форма восстанавливается. Некоторые металлические конструкции намеренно проектируют так, чтобы они упруго деформировались. Так, от пружин обычно требуется довольно большая упругая деформация. В других случаях упругую деформацию сводят к минимуму. Мосты, балки, механизмы, приборы делают по возможности более жесткими. Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих на него. Это выражается законом Гука, согласно которому напряжение равно упругой деформации, умноженной на постоянный коэффициент пропорциональности, называемый модулем упругости.

      Когда к металлическому образцу прикладываются напряжения, превышающие его предел упругости, они вызывают пластическую (необратимую) деформацию, приводящую к необратимому изменению его формы. Более высокие напряжения могут вызвать разрушение материала. Важнейшим критерием при выборе металлического материала, от которого требуется высокая упругость, является предел текучести. У самых лучших пружинных сталей практически такой же модуль упругости, как и у самых дешевых строительных, но пружинные стали способны выдерживать гораздо большие напряжения, а следовательно, и гораздо большие упругие деформации без пластической деформации, поскольку у них выше предел текучести.

      Пластические  свойства металлического материала (в  отличие от упругих свойств) можно изменять путем сплавления и термообработки. Так, предел текучести железа подобными методами можно повысить в 50 раз. Чистое железо переходит в состояние текучести уже при напряжениях порядка 40 МПа, тогда как предел текучести сталей, содержащих 0,5% углерода и несколько процентов хрома и никеля, после нагревания до 950 °С и закалки может достигать 2000 МПа. Когда металлический материал нагружен с превышением предела текучести, он продолжает деформироваться пластически, но в процессе деформирования становится более твердым, так что для дальнейшего увеличения деформации требуется все больше повышать напряжение. Такое явление называется деформационным или механическим упрочнением (а также наклепом). Его можно продемонстрировать, скручивая или многократно перегибая металлическую проволоку. Деформационное упрочнение металлических изделий часто осуществляется на заводах. Листовую латунь, медную проволоку, алюминиевые стержни можно холодной прокаткой или холодным волочением довести до уровня твердости, который требуется от окончательной продукции.

  Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения – график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной – напряжение (рисунок 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рисунке 1 представлены кривые деформация – напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. Пластичность – это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки. Начальный линейный участок как одной, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование «шейки» (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки. 

Рисунок 1- Диаграмма растяжения

  Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный – пройдя через свой предел прочности.

      Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рисунок 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше [3].

Рисунок 2 - Диаграмма растяжения и сжатия

  Кривая условного напряжения для сжатия проходит выше, чем для растяжения, только потому, что при сжатии поперечное сечение увеличивается, а не уменьшается.

  Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации. Поскольку испытания на растяжение требуют дорогостоящего оборудования и больших затрат времени, часто прибегают к более простым испытаниям на твердость. При испытаниях по методам Бринелля и Роквелла в поверхность металла при заданных нагрузке и скорости нагружения вдавливают «индентор» (наконечник, имеющий форму шара или пирамиды). Затем измеряют (часто это делается автоматически) размер отпечатка, и по нему определяют показатель (число) твердости. Чем меньше отпечаток, тем больше твердость. Твердость и предел текучести – это в какой-то мере сравнимые характеристики: обычно при увеличении одной из них увеличивается и другая. Может сложиться впечатление, что в металлических материалах всегда желательны максимальные предел текучести и твердость. На самом деле это не так, и не только по экономическим соображениям (процессы упрочнения требуют дополнительных затрат) [4].

        Во-первых, материалам необходимо придавать форму различных изделий, а это обычно осуществляется с применением процессов (прокатки, штамповки, прессования), в которых важную роль играет пластическая деформация. Даже при обработке на металлорежущем станке очень существенна пластическая деформация. Если твердость материала слишком велика, то для придания ему нужной формы требуются слишком большие силы, вследствие чего режущие инструменты быстро изнашиваются. Такого рода трудности можно уменьшить, обрабатывая металлы при повышенной температуре, когда они становятся мягче. Если же горячая обработка невозможна, то используется отжиг металла (медленный нагрев и охлаждение). Во-вторых, по мере того как металлический материал становится тверже, он обычно теряет пластичность. Иначе говоря, материал становится хрупким, если его предел текучести столь велик, что пластическая деформация не происходит вплоть до тех напряжений, которые сразу же вызывают разрушение. Конструктору обычно приходится выбирать какие-то промежуточные уровни твердости и пластичности [5].

      Вязкость  противоположна хрупкости. Это способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара. Например, стекло хрупкое, потому что оно не способно поглощать энергию за счет пластической деформации. При столь же резком ударе по листу мягкого алюминия не возникают большие напряжения, так как алюминий способен к пластической деформации, поглощающей энергию удара. Существует много разных методов испытания металлов на ударную вязкость. При использовании метода Шарпи призматический образец металла с надрезом подставляют под удар отведенного маятника. Работу, затраченную на разрушение образца, определяют по расстоянию, на которое маятник отклоняется после удара. Такие испытания показывают, что стали и многие металлы ведут себя как хрупкие при пониженных температурах, но как вязкие – при повышенных. Переход от хрупкого поведения к вязкому часто происходит в довольно узком температурном диапазоне, среднюю точку которого называют температурой хрупко - вязкого перехода. Другие испытания на ударную вязкость тоже указывают на наличие такого перехода, но измеренная температура перехода изменяется от испытания к испытанию в зависимости от глубины надреза, размеров и формы образца, а также от метода и скорости ударного нагружения. Поскольку ни в одном из видов испытаний не воспроизводится весь диапазон рабочих условий, испытания на ударную вязкость ценны лишь тем, что позволяют сравнивать разные материалы. Тем не менее, они дали много важной информации о влиянии сплавления, технологии изготовления и термообработки на склонность к хрупкому разрушению. Температура перехода для сталей, измеренная по методу Шарпи с V- образным надрезом, может достигать        +90 °С, но соответствующими легирующими присадками и термообработкой ее можно понизить до минус 130 °С. Хрупкое разрушение стали было причиной многочисленных аварий, таких, как неожиданные прорывы трубопроводов, взрывы сосудов давления и складских резервуаров, обвалы мостов. Среди самых известных примеров – большое количество морских судов типа «Либерти», обшивка которых неожиданно расходилась во время плавания. Как показало расследование, выход из строя судов «Либерти» был обусловлен, в частности, неправильной технологией сварки, оставлявшей внутренние напряжения, плохим контролем за качеством сварного шва и дефектами конструкции. Сведения, полученные в результате лабораторных испытаний, позволили существенно уменьшить вероятность таких аварий.

      Температура хрупко-вязкого перехода некоторых  материалов, например вольфрама, кремния и хрома, в обычных условиях значительно выше комнатной. Такие материалы обычно считаются хрупкими, и придавать им нужную форму за счет пластической деформации можно только при нагреве. В то же время медь, алюминий, свинец, никель, некоторые марки нержавеющих сталей и другие металлы и сплавы вообще не становятся хрупкими при понижении температуры. Хотя многое уже известно о хрупком разрушении, это явление нельзя еще считать полностью изученным [6].

  Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения. В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов [7].

     Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлениемвоздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитиесдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов. При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах. Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рисунке 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800°С, не обнаруживая чрезмерной ползучести [8]. 

Рисунок 3 - Кривые ползучести

      Срок  службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например, лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры [9]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Заключение

     Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

     Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающие те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

10]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ИСПОЛЬЗВОННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

          1. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. – М.: Высшая школа 1979. – 341с.

         2.   Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2009. – 637с.

         3. Павлов П.А. Механические состояния и прочность материалов, 1980. –251 с.

        4. Соболев Н.Д., Богданович К.П. Механические свойства материалов и основы физики прочности. – М.: Высшая школа, 1985. – 146 с.

        5. Жуковец И.И. Механические испытания металлов, – М.: Высшая школа 1986. – 200 с.

        6. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов.    – М.: Высшая школа 1998. – 188 с.

        7.   Фетисов Г.П., Карпман В.Г., Матюнин В.П. и др. Материаловедение технология металлов. – М.: Высшая школа, 2000. – 638 с.

        8.   Винокуров В.А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности.– М.: Издательский центр «Академия» 1996.–576 с.

        9.    Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с. 

       10.  Волков Г.М., Зуев В.М. Материаловедение. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 134с.