Деформация ир разрушение металлов

   2.3. Взаимосвязь деформации с крепостью материалов.

   Крепость – это физическая способность материала оказывать сопротивление его повреждению при действии сил, ведущих к деформации и внутренние напряжения  материала. Под действием этих известных сил материал просто напросто может подвергаться кручению, растяжению, изгибу, сжатию, срезу. Крепость крепкого вещества в принципе обусловлена свойственными ему силами атомного взаимодействия. Подобные силы, свойственные для молекул и атомов, имеют все шансы достигать очень больших значений. Но, в XX годах академик А. Ф. Иоффе показал нам наличие даже небольших неплотностей, трещин и других дефектов вещества, неизбежных в настоящих твердых материалах, в несколько раз уменьшает их прочность по сравнению с теорией. Таким образом, дефекты макроструктуры материала отрицательно отражаются на его твердости.

   Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации или разрушению при местном силовом воздействии; одно из основных механических свойств материалов. Зависит от структуры материала и других его механических характеристик, от вида обработки поверхности, температуры, модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении.

   Твердость измеряется вдавливанием в поверхность материала или перемещением по ней под нагрузкой специальных наконечников — инденторов, имеющих сферическую, коническую или другую форму. В испытуемую поверхность материала вдавливают закаленный шарик диаметром d 2,5, 5 или 10 мм (это метод по Бринеллю). Число твердости по Бринеллю – НВ - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300) испытывают при отношении P/d2 = 30, материалы средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d2 = 10, мягкие (НВ < 300)-при P/d2 = 2,5. Испытания проводят на стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердости по Виккерсу в поверхность материала вдавливают алмазный индентор в виде наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине в 136°. Для приблизительного определения твердости горных пород и других хрупких материалов используют метод Мооса, заключающийся в царапании исследуемого материала эталонным минералом. В этом случае твердость измеряется в условных единицах, соответствующих номеру минерала в десятибалльной шкале: тальк— 1, гипс — 2, кальцит — 3, флюорит — 4, апатит — 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд — 9, алмаз — 10.

   Можно сказать, что связь между  деформацией и крепостью материалов  самая прямая, ведь это единственное  и главное свойство материала  сопротивляться деформации или  разрушению при силовом ударе.[4] 
 

III. Особенности деформаций и разрушения металлов.

3.1.  Упругие и пластические деформации металлов.

   Упругая деформация металлов– деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил, когда размеры и форма тела после снятия нагрузки восстанавливается мгновенно, со скоростью звука, т.е. она проявляется за короткий промежуток времени. Она характеризуется упругими изменениями кристаллической решетки. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии — сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

     Пластическая деформация металлов - приводит к остаточным изменениям формы и размеров тела. Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием.

     Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины. Смещение происходит по системам скольжения, причем с изменением температуры деформации системы скольжения могут изменяться.

     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. 
 
 

       

  Двойникование. Пластическая  деформация некоторых металлов, помимо скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

  Изменение структуры поликристаллического металла при пластической деформации. Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) пли двойникования. Формоизменение металла при обработке давленном происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, п полому пластическая деформация по может протекать одновременно н одинаково во всем объеме поликристалла.

     Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.

  При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри нею происходит дробление блоков.[5], [6]

    
 
 
 
 
 

3.2.    Особенности разрушения металлов.

   Процесс деформации при достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения состоит из двух стадий — зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (детали).

  Разрушение есть многостадийный процесс, в течение которого меняется форма, размеры и микроскопические механизмы роста трещины. На микроскопическом уровне различают:

а) разрушение, когда развивающийся процесс скольжения формирует плоскость будущего излома; последующий процесс отрыва идет по поверхности раздела ( границ зерен) или по плоскостям спайности;

  б) смешанные — плоскости излома проходят и через зерна и между ними.

  На практике разрушение подразделяют на хрупкое, вязкое и усталостное.

     Хрупкое разрушение происходит без макроскопической де формации или с очень малой деформацией, и начинаемся обычно на внешних рисках, подрезах или на уже имеющихся трещинах. Хрупкому разрушению способствуют следующие факторы:

• конструктивная форма: насечки, резьба, риски, резкое изменение сечения;
• технологические: дефекты сварки, закалки, шлифования, высокие напряжения;
• условия нагружения: низкие температуры, ударные нагрузки, многоосное напряженное состояние;
• структура материала: крупные зерна, фазы выделения на границах зерен, старение, неблагоприятные примеси и включения;
• внешние условия: коррозионная среда — коррозионное растрескивание.

     Вязкое разрушение сопровождается значительной пластической деформацией и является результатом медленного разрастания достаточно длинных трещин. Разрушение происходит путем образования пор и путем медленного роста ступенчатой трещины при образовании полостей  и ямок перед се вершиной.

     Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика — она близка к скорости звука, поэтому нередко хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

     С точки зрения микроструктуры существуют два вида разрушения — транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном   разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она проходит по границам зерна.

     По внешнему виду излома (визуальное наблюдение) можно судить о характере разрушения. Волокнистый (матовый) излом свидетельствует о вязком разрушении, кристаллический (светлый) излом является результатом хрупкого разрушения.

  Изучение тонкой структуры излома с помощью электронного микроскопа (микрофракгография) позволяет более уверенно судить о вязком или хрупком характере разрушения. Вязкое разрушение характеризуется «чашечным» микростроением излома. При этом виде разрушения происходит образование внутренних микрообластей («чашек») с последующим удлинением этих локальных очагов разрушения и разрывом перемычек, разделяющих их.

  Хрупкое разрушение характеризуется «ручьистым» поверхности излома. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Ступени при разрушении сливаются, образуя ручьистый узор.

  Вязкий чашечный и хрупкий ручьистый изломы относятся к транскристаллитному разрушению.

     Многие металлы ( Fe, W, Zn и др), в зависимости от температуры могут разрушаться как вязко, так и хрупко. Понижение температуры обусловливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление получило название хладноломкость. 
 

  

                                         1-«чашечный» излом, 2- «ручьистая» поверхность излома. 

  

     Усталостные разрушения возникают при циклическом нагружении, приводящем к необратимому накоплению повреждений, являющихся очагами будущего разрушения. Накопление повреждений происходит в три стадии: 1) упрочнение (возникновение, движение и скопление дислокаций), 2) образование трещин (при незначительном движении дислокаций на поверхности возникают экструзии — маленькие и интрузии — маленькие впадины (канавки), приводящие к образованию зародышевых трещин); 3) рост зародышевых трещин.[5] 

3.3.     Деформация металлов и их износ.

     В процессе эксплуатации все элементы  изнашиваются, повреждаются и постепенно теряют свои прочностные характеристики.

  Износ — изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя металла при трении. Износ приводит к снижению функциональных качеств и к потере их потребительской ценности.

    Различают три группы изнашивания:

  - механическое,

  - молекулярно-механическое

  - коррозионно-механическое. 

   Механическое изнашивание возникает в результате воздействия твердых частиц на трущиеся поверхности.

   Молекулярно-механическое изнашивание получается в результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных или атомных сил (схватывание с последующим разрушением металла в местах схватывания).