При создании высокотвердых, прочных материалов необходимо учитывать такое их свойство как вязкость или сопротивление хрупкому разрушению, определяющее способность материала пластически деформироваться в условиях динамических нагрузок.
Хрупкий тип разрушения — самый опасный, так как трещина возникает мгновенно, в течение долей секунды, быстро растет, превращаясь в так называемую магистральную трещину. В случае линий трубопровода магистральная трещина может пройти вдоль нескольких труб за считанные секунды.
Особое внимание на возможность сталей сопротивляться хрупкому разрушению уделяют при расчете металлоконструкций, предназначенных для эксплуатации в условиях северных широт, так как низкие температуры способствуют охрупчиванию металла. В ходе инженерных расчетов используют такой критерий, как ударная вязкость, которая количественно описывает сопротивление материала хрупкому разрушению.
Ударная вязкость
Ударная вязкость показывает, сколько нужно энергии (работы) для разрушения образца заданного поперечного сечения. Испытание для определения ударной вязкости относится к динамическим и осуществляется с помощью маятникового копра.
Принцип действия заключается в падении бойка с определенной высоты на испытываемый стандартный образец металла. После чего, основываясь на разнице энергий бойка до и после удара, определяется работа, потраченная на разрушение образца.
Чтобы полученные на разных образцах значения можно было сравнивать, их приводят к площади сечения испытываемого образца.
Образцы для испытаний стандартизованы и имеют вид стержня с квадратным сечением площадью 1 см2. В середине образца на одной из сторон наносят искусственный концентратор напряжений, имеющий три варианта исполнения:
- в форме буквы U;
- в форме буквы V;
- в виде усталостной трещины.
При испытаниях на ударную вязкость оценивают также поверхность разрушения образца и определяют соотношения доли вязкой и хрупкой составляющей в изломе. Такой анализ выполняется либо визуально, либо с применением цифровых методов текстурного анализа, реализованных в анализаторе изображений Thixomet.
Если металл после испытания на ударную вязкость при нормальных климатических условиях показывает хрупкий излом, то его эксплуатация при пониженных температурах недопустима.
Критическая температура хрупкости
Как уже отмечалось выше, температура окружающей среды и, соответственно, самого металла, оказывает существенное влияние на его сопротивление хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью, и обусловлено переходом металла из вязкого состояния в хрупкое при снижении температуры.
Температура момента такого перехода называется критической температурой хрупкости Tхр (порог хладноломкости) и соответствует наличию в изломе образца равных долей вязкой и хрупкой составляющей. Для определения Tхр материала проводят серию испытаний на ударную вязкость при температурах от +20 до -70°С.
На основании полученных результатов строят график зависимости доли вязкой составляющей от температуры. Точка перегиба на получившейся кривой соответствует критической температуре хрупко-вязкого перехода Тхр. Чем выше ее значение, тем выше склонность металла к хрупкому разрушению.
Почему металлы имеют различную хрупкость?
Помимо низких температур и высокой скорости нагружения к хрупкому разрушению могут приводить следующие факторы:
- состояние микроструктуры металла (крупное зерно, загрязненность неметаллическими включениями, выделение твердых фаз по границам зерен, недопустимые структурные составляющие);
- напряженное состояние и остаточные напряжения, сохранившиеся после технологических операций производства;
- концентраторы напряжений в виде дефектов типа трещин, несплошностей, газовых пузырей.
Внешний вид изломов ударных образцов
Пример химического анализаПродуктыСтатья по теме
ПОИСК
| Таблица 5. Характеристики сопротивления хрупкому разрушению |
СОПРОТИВЛЕНИЕ ХРУПКОМУ РАЗРУШЕНИЮ [c.151] Критерии оценки сопротивлении хрупкому разрушению. Каждая сварная стальная конструкция имеет температурный порог — критическую температуру хрупкости, ниже которой вероятность хрупких разрушений конструкции возрастает. Она не может быть предсказана на основании обычных испытаний, проводимых при поставке стали заказчику. Оценку сопротивляемости стальных конструкций хрупкому разрушению проводят по критериям, устанавливаемым с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных факторов. Известны три группы таких критериев [c.151]
С целью оценки влияния деформационного старения на показатели сопротивления хрупкому разрушению про- [c.153]
Укажем на одну возможность простой оценки показателей сопротивления хрупкому разрушению деформационно-состаренных сталей по изменению прочностных характеристик. В работе [11] показано, что индекс старения по ударной вязкости И индекс старения по твердости [c.155]
Легирование способствует повышению прочности сопротивления хрупкому разрушению, не ухудшая их свариваемости. [c.209]
Методики расчета на прочность затворных деталей сосудов высокого давления в действующей нормативно-технической документации как при выборе основных размеров, так и при поверочном расчете основаны на использовании классических аналитических решений соответствующих модельных задач теории упругости и пластичности. Опыт эксплуатации конструкций и результаты прочностных испытаний в этом случае учитываются с помощью поправочных коэффициентов. Такой подход к расчету в нормативно-технической документации не позволяет установить действительное напряженное и деформированное состояние ответственных деталей. Знание этих напряжений необходимо не только при расчете деталей сосуда на прочность, герметичность и оценку возможной концентрации напряжений, но и для расчета конструкции при циклическом нагружении, на сопротивление хрупкому разрушению, при рассмотрении вопросов коррозионно-механического разрушения и т. п. [c.227]
Аналогичные коэффициенты запаса прочности используют при расчетах на сопротивление вязкому, квазихрупкому и хрупкому разрушению при наличии дефектов сплошности материала конструкции, при расчетах на сопротивление зарождению трещин усталости [17] и расчетах в рамках концепции ТПР. При этом коэффициенты запаса применяют для определения не только допустимых напряжений, но и числа циклов нафужения (при расчетах на сопротивление зарождению трещин усталости), допустимой температуры эксплуатации (при расчетах на сопротивление хрупкому разрушению) и т. п. [c.74]
Важным элементом расчета на сопротивление хрупкому разрушению является также определение значений коэффициента интенсивности напряжений Ку Для цилиндрических, сферических, конических, эллиптических и плоских элементов, нагружаемых внутренним давлением и температурным воздействием, в соответствии с [1] допускается использовать формулу [c.89]
Дальнейшее развитие методики расчета на сопротивление хрупкому разрушению [1] дано в Методике расчета допустимых дефектов металла во время эксплуатации АЭС М-2-91 [10], рекомендованной для практического использования Госатомнадзором РФ. [c.90]
Анализ выражения (54) показывает, что скорость роста трещины с заданной площадью максимальна при з/с = 0,5. Скорость увеличения площади трещины при этом составляет примерно 95% максимальной.
Таким образом, принятое выше соотношение а/с = 0,5 обеспечивает консервативность не только при расчете на сопротивление хрупкому разрушению, но и при определении ресурса и долговечности. [c.
109]
Корпус реактора. Исходные данные для расчета использовали те же, что и в разд. 4.11, 5 и 6.2. Цель расчетного анализа — определить оптимальную частоту контроля цилиндрической части корпуса реактора за проектный срок эксплуатации 30 лет.
Вероятность разрушения корпуса реактора оценивали по критерию сопротивления хрупкому разрушению с учетом охрупчивания металла от радиационного воздействия. Доход от эксплуатации реактора ВВЭР-1 ООО в течение 30 лет принимали равным 0 = 4 10 руб. (в ценах 1983 г., когда проводили анализ).
Стоимость контроля за 30 лет определяли как зарплату 30 человек за 30 лет с учетом накладных расходов (У . = 1,8 10 руб.). Стоимость ремонта принимали равной 10У (предполагали, что для корпуса реактора справедлива концепция течь перед разрушением и полного разрушения корпуса не произойдет). Соотношение времени на контроль и ремонт принимали ту /т = 10.
Анализ проводили для двух случаев контроль совмещен с планово-предупредительным ремонтом и перегрузкой топлива для проведения контроля реактор специально останавливают. [c.241]
МэВ, при котором обеспечивается сопротивление хрупкому разрушению с сохранением нормативных запасов прочности. Для деталей механизмов и узлов уплотнения мерой ресурса служит время эксплуатации до сохранения деталями своей формы в пределах, обеспечивающих выполнения ими своих функций.
Для консфукций, у которых уменьшение размеров происходит из-за коррозии или эрозии, мерой ресурса является время, за которое толщина стенки консфукции уменьшается до недопустимых размеров, определяемых сохранением нормативных значений коэффициентов запаса прочности. [c.
11]
Для предлагаемого нового материала должно быть подтверждено, что взаимодействие его с рабочей средой не приводит к снижению характеристик сопротивления хрупкому разрушению ниже гарантируемого в аттестационном отчете уровня, или представлены количественные данные, отражающие характер этого взаимодействия. [c.27]
Для деталей, подвергающихся прямому воздействию излучения, имеющих склонность к хрупкому разрущению, проводят расчеты на сопротивление хрупкому разрушению с учетом всего назначенного срока эксплуатации. [c.30]
Методика обоснования ресурса эксплуатации по критерию сопротивления хрупкому разрушению [c.47]
Нормы содержат основную часть и рекомендуемые приложения.
В основной (обязательной) части приведены расчет по выбору основных размеров расчет на статическую прочность, устойчивость, циклическую прочность, сопротивление хрупкому разрушению, длительную статическую прочность, длительную циклическую прочность, прогрессирующее формоизменение, сейсмические воздействия, вибропрочность методики определения механических свойств и испытаний для определения характеристик прочности. [c.2]
- Методика расчета на сопротивление хрупкому разрушению [c.58]
- Образцы-свидетели для контроля механических свойств и характеристик сопротивления хрупкому разрушению должны обязательно устанавливаться [c.95]
- Уточненная оценка сопротивления хрупкому разрушению про- [c.377]
Поверочный расчет на сопротивление хрупкому разрушению проводят на основе сопоставления коэффициента интенсивности напряжений с критическим значением в целях исключения возможности хрупкого разрушения [см 1) п 1.2.1]. [c.16]
Испытания на усталостную прочность в усиленно-аэрируемом буровом растворе гладких образцов из стали 40ХН, алюминиевого сплава Д16Т и технически чистого титана ВТ1-0 показали, что титан имеет в 3 раза больший предел выносливости при базе 10 млн. циклов, чем сталь или алюминиевый сплав [38]. Г. К. Шрейбером и С. С. Тененбаум при исследовании усталостной прочности титановых сплавов установлено, что наибольшей усталостной прочностью и долговечностью на воздухе и буровом растворе обладают сплавы ВТ14 и АТ6, которым свойственно и наибольшее сопротивление хрупкому разрушению. [c.108]
Результаты проведенных испытаний обобщены в табл.3.5. Как видно, в некоторых случаях имеют место аномально высокие значения ударной вязкости, в частности, сталь 17ГС после 30 лет эксплуатации имеет ударную вязкость КСУ = 0,9 МДж/м».
В целом длительная эксплуатация приводит к снижению показателей сопротивления хрупкому разрушению сталей. Отметим, что эта тенценция отмечается не для всех сталей. В частности, сталь 14ХГС имеет достаточно высокую ударную вязкость независимо от срока эксплуатации.
Кроме этого, замечено, что с увеличением срока эксплуатации возрас- [c.157]
Сопротивление хрупкому разрушению низколегированных сталей после даительной эксплуатации [c.159]
С целью оценки влияния предварительной перегрузки на характеристики сопротивления хрупкому разрушению материала проведены испытания образцов на динамический изгиб по ГОСТ 9454-78 при различных температурах Тисп (Тисп = +20…-70°С). Перед испытаниями образцы с нанесенными надрезами подвергали растяжению при разных уровнях напряжений аи (аи = 0…1,25ат). [c.370]
Предварительное нагружение растяжением в целом снижает ударную вязкость (рис.5.46,а). Однако, в некоторых случаях, в зависимостях K V = Г(сти) отмечается экстремум. Вначале по мере повышения СТи = (0,6…0,7) От и далее происходит ее снижение (рис.5.45,6 и в). Предварительное нагружение сушественно изменяет характер кривых хладоемкости (рис.
546,д), смещая критическую температуру хрупкости (КТХ) в область повышенных температур. На основании приведенных данных представляется возможность оценки сопротивления хрупкому разрушению по критериям механики разрушения.
В частности, на основании данных [47] получено, что критический коэффициент интенсивности напряжений связан с ударной вязкостью K V зависимостью [c.370]
Хладноломкость и сопротивление хрупкому разрушению оцениюются по кривым ударная вязкость—температура и доля вязкой составляющей в изломе-температура.
Такие кривые для образцов биметалла сталь-молибден с двумя видами надреза — по двум слоям и ш> стали (см. шс. 97, надрезы / и III) — представлены на рис. 101 и 102.
Здеа же дня сравнения показаны кривые для стандартных образцов молибдена и стали. [c.103]
Сопротивление хрупкому разрушению обычно оценивают по ударной вязкости, которая не является расчетной характеристикой. В последнее время, широкое распространение в практике проектирования при оценке хрупкой прочности конструкций используют подходы механики разрушения.
В качестве основного критерия в механике разрушения принимается кр ический коэффициент интенсивности напряжений Кс. Использование последнего позволяет производить расчеты изделий на сопротивление хрупкому разрушению и оценивать критические размеры трещинопо 1обных дефектов, в том числе и трещин.
[c.32]
Имеется также два диапазона углов о0,5 МэВ, что поставило на повестку дня вопрос о сопротивлении хрупкому разрушению корпусов реакторов энергоблоков с реакторами типа ВВЭР-440.
Возникшая проблема решалась с позиций радиационного материаловедения и свелась, по существу, к разработке, обоснованию и реализации технологии отжига металла корпусов реакторов, находящихся в эксплуатации. На указанные работы были затрачены большие временные и материальные ресурсы, однако кардинально проблема так и не была решена.
Более того, проводить отжиги предлагалось также и на корпусах реакторов типа ВВЭР-ЮОО. Указанный подход, безусловно, явился крупным шагом вперед в области радиационного материаловедения. [c.408]
При температурах, не вызывающих ползучесть материала конструкции, расчет по указанным предельным состояниям проводят с использованием кратковременных характеристик прочности, пластичности и сопротивления деформированию материала, не зависящих от времени.
Исключение «составляет учет деформа1щонного старения и облучения при расчете сопротивления хрупкому разрушению и появлению макро- при циклическом нагружети.
Если эксплуатация оборудования и трубопроводов происходит при температурах, вызывающих ползучесть материала, то расчет проводят по указанным предельным состояниям с использованием характеристик кратковременной и длительной прочности, кратковременной и длительной пластичности и ползучести. [c.15]
7. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ
Макеты страниц
Увеличение прочности и сопротивления усталости металлов и сплавов при сохранении достаточно высоких пластичности вязкости и трещиностойкости повышает надежность и долговечность машин (конструкций) и понижает расход металла на их изготовление вследствие уменьшения сечения деталей.
Ниже рассмотрены различные механизмы упрочнения металлов и сплавов.
Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов.
взаимодействия и предположения, что два ряда атомов одновременно смещаются относительно друг друга под действием напряжения сдвига.
Исходя из кристаллического строения и межатомных сил, можно ориентировочно определить теоретическую прочность металла по следующей формуле: , где — модуль сдвига (коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом
Теоретическое значение прочности, рассчитываемое по указанной формуле, в 100—1000 раз больше технической прочности. Это связано с дефектами в кристаллическом строении, и прежде всего существованием дислокаций. Прочность металлов не является линейной функцией плотности дислокаций (рис. 77).
Как видно из рис. 77, минимальная прочность определяется некоторой критической плотностью дислокаций а, приближенно составляющей Эта величина относится к отожженным металлам. Величина отожженных металлов составляет
Повышение прочности достигается: созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой; повышением плотности дефектов (в том числе дислокаций), затрудняющих движение дислокаций.
Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис. 77), сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.
В настоящее время удалось получить кристаллы, практически не содержащие дислокаций. Эти нитевидные кристаллы небольших размеров (длиной 2—10 мм и толщиной мкм), называемые «усами», обладают прочностью, близкой к теоретической. Так, предел прочности нитевидных кристаллов железа составляет меди и цинка по сравнению 6 пределом прочности технического железа меди и цинка
Увеличение размеров усов сопровождается резким снижением прочности, что ограничивает их использование. Они нашли применение для армирования волокнистых композиционных материалов (см. с. 422), в микроэлектронике, для микроподвесок и микрорастяжек и т. д.
При возрастании количества дефектов свыше (см. рис. 77) происходит упрочнение металла вследствие взаимодействия дислокаций и торможения их движения. Связь между пределом текучести и плотностью дислокаций может быть описана уравнением
Рис. 77. Схема зависимости сопротивления деформации от плотности дислокаций и других дефектов кристаллического строения металлов: 1 — теоретическая прочность; 2—4 — техническая прочность (2 — усы; 3 — чистые неупрочненные металлы; 4 — сплавы, упрочненные легированием, наклепом термической или термомехалической обработкой)
Рис. 78.
Схема влияния структурного упрочнения на предел текучести вязкость разрушения и работу распространения трещины при испытании на удар КСТ: 1 — вязкое разрушение; 2 — хрупкое разрушение где — напряжение сдвига до упрочнения (после отжига); — вектор Бюргерса; а — коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и структуры. Плотность дислокаций не должна превышать При большей плотности дислокаций образуются трещины.
Сопротивление пластической деформации тем выше, чем меньше подвижность дислокации, чем больше препятствий (барьеров) на их пути. Пластичность и вязкость наоборот, тем выше, чем легче осуществляется движение дислокации.
Следует иметь в виду, что помимо вязкого разрушения, являющегося результатом большого числа пластических сдвигов за счет движения дислокаций по различным плоскостям скольжения, возможно хрупкое разрушение в результате зарождения и прогрессирующего развития трещины.
На рис. 78 показано влияние структурного упрочнения (создание структурных барьеров для движения дислокаций) на предел текучести трещиностойкость и работу распространения трещины КСТ.
С увеличением барьеров для движения дислокаций предел текучести возрастает, а трещиностойкость и работа распространения трещины КСТ уменьшаются. В области 1 (рис.
78) надежность против внезапных хрупких разрушений высокая, так как случайные перегрузки будут сниматься пластической деформацией в устье трещины в связи низким пределом текучести и высоким значением вязкости разрушения
Область 2 (рис. 78) соответствует высокому значению и низкому значению металл может разрушаться хрупко при малых нагрузках. Поэтому во многих случах следует применять материал
- 6 меньшим что несколько увеличит массу конструкций, но значительно повысит сопротивление хрупкому разрушению.
- Для получения высокого комплекса механических свойств (высокой конструктивной прочности), исключения возможности хрупкого разрушения нужно, чтобы барьеры, тормозящие движение дислокаций, позволяли при определенном напряжении прорываться через них дислокациям («полупроницаемые» барьеры).
- Рассмотрим 6 этих позиций основные механизмы упрочнения: деформационное, твердорастворное, образование гетерогенных структур (дисперсионное упрочнение), различного рода границ и оценим их роль в охрупчивании металлов.
Деформационное упрочнение (наклеп) рассмотрено выше.
Беспорядочно расположенные дислокации («лес дислокаций») в деформированном металле вызывает сильное повышение прочности при но одновременно резко снижается сопротивление хрупкому разрушению.
Следовательно, деформационное упрочнение не обеспечивает высокой конструктивной прочности. Оно нашло применение для упрочнения сплавов твердых растворов.
https://www.youtube.com/watch?v=cedvTnnJVogu0026t=36s
При образовании твердых растворов и повышаются (твердо растворное упрочнение).
В неупорядоченном твердом растворе возникающие вокруг атомов растворенного элемента поля упругих напряжений затрудняют скольжение дислокаций.
Степень торможения дислокаций в твердом растворе определяется фактором размерного несоответствия атомов растворителя и растворенного элемента, разностью модулей упругости и возрастает пропорционально концентрации.
- В первом приближении упрочнение при образовании твердого раствора может быть определено по формуле, полученной Моттом и Набарро:
- где — модуль сдвига, — параметр, зависящий от различия размеров атомов растворенного компонента и растворителя — атомная концентрация растворенного компонента.
Повышение прочности (рис. 79) в твердом растворе замещения прямо пропорционально концентрации растворенного элемента (до Однако абсолютная величина упрочнения зависит от вида растворимого компонента (рис. 79).
Величина при образовании твердых растворов снижается. В случае твердого раствора внедрения прочность во много раз больше, чем при образовании твердого раствора замещения при той же концентрации.
Очень затрудняют движение дислокации, а следовательно, повышают прочность атмосферы Коттрелла, даже при малом
Рис. 79. Влияние атомной концентрации С растворенных в меди элементов на условный предел текучести
содержания второго компонента внедрения. Примеси внедрения сильно понижают трещиностойкость работу распространения трещины КСТ и повышают порог хладноломкости.
Очистка хладноломких металлов от примесей внедрения На) повышает работу распространения трещины, вязкость разрушения и понижает порог хладноломкости.
Основная причина охрупчивания металла в присутствии примесей внедрения — малая подвижность дислокации.
Это вызвано, с одной стороны, повышенным сопротивлением решетки раствора внедрения скольжению дислокаций и, с другой стороны, закреплением дислокаций атмосферами из атомов внедрения.
Из-за низкой подвижности дислокаций, а следовательно, отсутствия микропластической деформации не происходит релаксации (ослабления) напряжений у вершины хрупкой трещины, чем и объясняется низкое сопротивление распространению трещин.
- Упрочнение при образовании твердого раствора достигает При повышении температуры выше упрочнение за счет образования твердого раствора сильно уменьшается.
- При ограниченном легировании, твердые растворы замещения обладают достаточной пластичностью и вязкостью и служат
Рис. 80. Влияние величины зерна на условный предел текучести предел выносливости и ударную вязкость (порог хладноломкости) низкоуглеродистой стали: 1 — мелкое зерно (0,04 мм); 2 — крупное верно (0,09 мм)
новной матрицей для многих конструкционных и инструментальных сплавов.
Механические свойства сплавов твердых растворов в сильной степени зависят от величины зерна, полигонизованной структуры (субструктуры) и других структурных изменений.
Эффективным барьером для движения дислокаций в металлах является межзеренная граница — зернограничное упрочнение.
Это объясняется тем, что дислокация не может перейти границу зерна, так как в новом зерне плоскости скольжения не совпадают с плоскостью движения этой дислокации.
Дальнейшая деформация продолжается в результате возникновения новой дислокации в соседнем зерне, поэтому чем мельче зерно (больше протяженность границ), тем выше прочность металла (рис. 80, а).
- Зависимость предела текучести от размера зерна описывается отношением Холла—Петча:
- где и — постоянные для данного металла; — диаметр зерна.
Эта зависимость справедлива и для субзерен. При очень мелком зерне предел текучести может достигнуть о Повышение прочности при измельчении зерна не сопровождается охрупчиванием.
Границы зерен и субзерен являются полупроницаемыми барьерами для движущихся дислокаций.
Чем мельче зерно, тем труднее развивается хрупкая трещина, поскольку границы зерен затрудняют переход трещины сколом из одного зерна в другое вследствие изменения ее направления движения. В то же время, зародышевые трещины при мелком зерне меньше.
Измельчение зерна понижает порог хладноломкости На рис. 80, б показано влияние величины зерна стали на температурный порог хладноломкости. Чем крупнее зерно, тем выше порог хладноломкости.
Для устранения интеркристаллитного (межзеренного) хрупкого разрушения и понижения надо уменьшать скопление примесей в приграничных объемах (сегрегацию без выделения) и образование на границах зерен хрупких фаз (чаще химических соединений), особенно в виде сплошной сетки.
По данным различных работ при большей величине зерна трещиностойкость возрастает, как это имеет место в стали (см. рис. 109) и титане. Чем мельче зерно, тем выше предел выносливости (рис. 80, а), который может быть определен по формуле
— постоянные, зависящие от материала.
Измельчение зерна модифицированием, термической обработкой, легированием и т. д. является одним из перспективных методов упрочнения металлов и сплавов.
Создание в зерне препятствий для движения дислокаций в виде хорошо развитой субструктуры приводит к дополнительному
упрочнению. Образование дислокационной етруктуры по механизму полигонизации (ячеистой структуры) повышает мало изменяя и понижает порог хладноломкости
Выделение внутри зерен твердого раствора высокодисперсных равномерно распределенных частиц упрочняющих фаз, например, в процессе закалки и старения, сильно повышает (дисперсное упрочнение). Упрочнение при старении объясняется торможением дислокаций зонами Гинье—Престона или частицами выделений.
При образовании зон дислокации проходят через них (перерезают), что требует повышенных напряжений (рис. 81, а). Зоны имеют модуль сдвига больше, чем у исходного твердого раствора.
Чем прочнее зоны и больше их модуль упругости, тем труднее они перерезаются дислокациями.
Вокруг зон создается зона значительных упругих напряжений, которая также тормозит движение дислокаций, а следовательно, способствует упрочнению при старении.
В случае когерентных частиц избыточной фазы дислокации под действием приложенных напряжений либо перерезают, либо огибают эти частицы, что зависит от их размера, прочности и расстояния между ними. В случае некогерентных частиц возможно только огибание их дислокациями. На (рис. 81, б) показано сначала выгибание, а затем (при больших напряжениях) и огибание частиц дислокациями.
При возрастании напряжений дислокации образуют замкнутые дислокационные петли вокруг частиц (рис. 81, б). Оставив вокруг частиц петли, дислокации продолжают скользить в прежнем направлении (эти петли или кольца, естественно, препятствуют движению новых дислокаций).
Предел текучести при дисперсном упрочнении зависит от размера частиц и их объемной доли Уравнение прочности в этом случае имеет вид:
- где — напряжение сдвига в матрице; — коэффициент, включающий вектор Бюргерса и модуль сдвига матрицы.
- Наибольшее упрочнение наблюдается, когда вторая фаза дисперсна, равномерно распределена по объему и расстояние между частицами не велико.
Упрочнение при огибании частиц (при одной объемной доле выделений второй фазы) всегда менее эффективно, чем упрочнение при перерезании. Однако вязкость разрушения и пластичность при огибании частиц выше.
Максимальной прочности после дисперсионного старения соответствует минимальное значение Коагуляция избыточной
Рис. 81. Модель движения дислокаций в дисперсионно-твердеющих сплавах: а — перерезание дисперсной частицш дислокаций; б — выгибание и продвижение дислокаций между частицами второй фазы о образованием петель
фазы, снижая прочность повышает Упрочнение дисперсными частицами достигает но при нагреве до температуры снижается за счет их растворения.
Дисперсными частицами часто являются химические соединения. Чем сложнее кристаллическая решетка фазы упрочнителя и чем больше отличается ее состав от основного твердого раствора, тем сильнее упрочнение. Химические соединения, особенно карбиды и нитриды, имеют высокую твердость, но хрупки.
Например, твердость карбида вольфрама составляет карбида титана нитрида титана Таким образом, для получения сплавов с высокой конструктивной прочностью нужно, чтобы основной твердый раствор (матрица) имела мелкозернистое строение с развитой внутренней субструктурой, в которой равномерно распределены высоко дисперсные частицы упрочняющей фазы. Такая структура сплава обеспечивает получение полупроницаемых барьеров для движущихся дислокаций и сочетание высокой прочности пластичности вязкости разрушения вязкости и низкой температуры вязкохрупкого перехода (порог хладноломкости
Рассмотренные механизмы упрочнения положены в основу современных технологических процессов повышения конструктивной прочности металлов и сплавов.
Вопросы для самопроверки
(см. скан)
ПОИСК
НОВЫЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ
[c.1]
Задачи повышения надежности и ресурса работы двигателей выдвигают на первый план проблемы упрочнения материалов. Имеются два пути повышения прочности металлов [c.34]
ДАЛЬНЕЙШИЕ ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛОВ в ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИИ
[c.100]
Традиционные пути повышения прочности металлов — легирование и термическая обработка. Оба эти пути широко используются для повышения работоспособности металлов, применяемых в энергомашиностроении, и исчерпаны далеко еще не до конца.
[c.100]
Приведенные данные наглядно иллюстрируют возможность и целесообразность применения методов и средств тепловой микроскопии при разработке рациональных путей повышения прочности, конструкционной надежности и долговечности металлических материалов путем рационального создания и использования слоистых металл-металлических композиций.
[c.225]
Таким образом, повышение прочности металлов и сплавов может быть достигнуто двумя путями 1) получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки, т. е.
металлов, в которых отсутствуют дефекты кристаллического строения или же их число крайне мало 2) либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.
[c.13]
Развитие авиации, ракетостроения, увеличение мощности и повышение рабочих скоростей машин предъявляют возрастающие требования к металлическим материалам. Путь к повышению прочности металлов лежит в повышении их чистоты, уменьшении содержания примесей, ухудшающих механические свойства металла.
Одной из таких вредных примесей является водород, который, проникая в металл уже в процессе его плавки, вызывает появление флокенов в стали, водородной болезни в меди и ее сплавах, пористости алюминия и его сплавов и т. д.
Следующими стадиями технологического процесса обработки стали, сопровождающимися поглощением водорода, являются термическая обработка, сварка, травление в растворах кислот и занесение гальванических покрытий.
Нанесение гальванопокрытий является, обычно, завершающей технологической операцией, которой подвергается большинство деталей из разных сортов сталей для предохранения их от коррозии, повышения стойкости к истиранию (хромирование) и т. д. Как показывает практика, особенно опасным является наводороживание сталей, прежде всего высокопрочных, в процессе нанесения гальванопокрытий и подготовительных операциях (обезжиривание, травление). [c.3]
Прочность паяных швов из титановых сплавов, выполненных по обычным режимам капиллярной пайки припоями на основе серебра, олова, алюминия, определяемая в известной мере сравнительно невысокой прочностью этих металлов, значительно ниже прочности титана и его сплавов.
Кроме того, со всеми компонентами этих припоев титан образует хрупкие интерметаллидные эвтектики или перитектики, существенно ухудшающие прочностные характеристики паяных швов.
Технология пайки титана и его сплавов совершенствуется по пути повышения прочности паяного шва, увеличения его сцепления с паяемым металлом, уменьшения эрозионного воздействия жидких припоев и тепло-вого цикла пайки на свойства основного металла.
[c.339]
Одним из направлений в повышении прочности капроновых шестерен, пригодных для использования в силовых передачах, является применение более рациональных методов их термической обработки [13]. Практикуется также нанесение тонкого слоя капрона на металлические шестерни, где удачно комбинируются высокая прочность металла и ценные свойства полимера. Эти мероприятия, конечно, не решают проблемы в целом. Поэтому необходимо изыскивать и другие пути повышения прочности шестерен из полиамидов, расширяющие возможности их практического применения.
[c.86]
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ МЕТАЛЛА
[c.62]
Развитие современного машиностроения выдвигает необходимость изыскания путей повышения прочности деформируемых магниевых сплавов. Очевидно, работу по созданию более высокопрочных магниевых сплавов необходимо вести в направлении улучшения композиций и упрочнения сплавов методами обработки давлением.
Повышение прочности деформированных магниевых сплавов методом усовершенствования композиций рассмотрено ниже. Упрочнение магниевых сплавов методами обработки давлением возможно, если использовать следующие закономерности изменения механических свойств в зависимости от условий деформации.
Оказывается, что при деформировании поликристаллических металлов основные показатели механических свойств изменяются следующи.м образом твердость, предел прочности, предел текучести и предел упругости растут, а удлинение, сужение поперечного сечения и ударная вязкость падают.
Из этих закономерностей следует, что необходимое упрочнение после холодной деформации может быть достигнуто применением определенной для данного сплава степени деформирования, а упрочнение при смешанной деформации — при соблюдении для данного сплава определенной температуры обработки давлением.
И только упрочнение при горячей обработке теоретически невозможно, так как в этом случае полностью завершаются разупрочняющие процессы.
[c.192]
Так как разрушение металлов вызывается неравномерным пространственным распространением энергии, то для повышения прочности металла необходимо создавать равномерное распределение микро- и субмикроскопической неоднородности строения по объему путем термической и механической обработки.
[c.43]
Однако наряду с указанными трудностями мы располагаем сведениями о возможности доброкачественной сварки высокопрочных металлов и сплавов. Поэтому соответствующий вклад в науку о прочности и распространение информации о путях повышения прочности и надежности сварных конструкций приобретают первостепенное значение.
[c.229]
Какие существуют пути повышения прочности реальных металлов [c.56]
Рассмотренные примеры применения теории дислокации показывают, что с позиций этой теории можно решать весьма разнообразные задачи металловедения. Особенно успешно решаются задачи прочности и пластичности металлов сделаны также первые шаги и по применению теории дислокаций при анализе структурных изменений и фазовых превращений.
Весьма заманчивы перспективы использования теории дислокаций для разработки принципиально новых путей эффективного повышения прочности металлов.
Все это указывает, что на базе этой теории возможно не только создавать весьма обширные обобщения сущности разнообразных процессов, наблюдаемых в металлах, но и новые способы управления этими процессами, вызывающими в металле новые качества, новые свойства.
[c.386]
Сейчас в практику машиностроения внедрено много высококачественных и прочных металлов и металлических сплавов. Но все металлы без исключения обладают одной характерной и вместе с тем неприятной особенностью. С повышением прочности их вязкость, как правило, падает. Оно и понятно.
Упрочняя материал путем легирующих добавок или термообработкой, мы в той или иной мере ограничиваем дислокационные перемещения, а они-то как раз к придают материалу вязкость, способствуют рассеянию энергии на фронте трещины.
Значит, следует попытаться найти или искусственно создать еще какие-то формы рассеяния энергии, препятствующие распространению трещин.
[c.375]
Акад. А. А. Бочвар [2], говоря о возможности создания сплавов с повышенной жаропрочностью, отмечает четыре основных пути повышения прочности металлов в первых двух используется искажение кристаллической ячейки, в третьем — гетерогенизация структуры, а в четвертом — оба эти фактора. Эти пути следующие 1) холодная деформация (наклеп) 2) сплавление с компонентами, образующими с основным металлом твердые растворы 3) получение высокодисперсной смеси фаз путем закалки многофазных снлавов с образованием пересыщенного твердого раствора и последующего старения 4) сплавление с компонентами, образующими еще в процессе кристаллизации новую твердую фазу в виде сетки или скелетообразного каркаса в основном металле.
[c.15]
Необходимость получения значительно более прочных материалов, чем ныне известные (сейчас уже имеются стали, правда, получаемые пока в лабораториях, с прочностью до 300—400 кПмм ), заставила искать новые пути повышения прочности.
К числу их относятся термомеханическая обработка, представляющая собой последовательное сочетание термичёской обработки с холодной деформацией металла фазовый наклеп, в котором используется свойство увеличения объема, занимаемого металлом, при некоторых фазовых превращениях (например, в железе), для деформации внешних слоев под влиянием увеличивающейся в объеме сердцевины магнитная обработка (комбинируется с термомеханической), состоящая в использовании эффекта (правда, весьма незначительного) изменения объема при намагничивании Ре облучение ядерными частицами. Технология термомеханической обработки сложна, но она позволяет получать мартенснтную структуру не в пределах
[c.296]
За пределами упругости, вплоть до разрушения, полная деформация состоит из упругой и пластической составляющих. Если довести материал до напряжений, превышающих предел текучести, н разгрузить его, в нем останутся пластические дефор нации.
При повторном загружении предел упругости станет выше. Этот процесс можно повторять, все повыщая прочностные свойства материала. Такое изменение свойств материала, получаемое путем повторных статических загружений, называется нардепом.
При повышении прочности металла путем наклепа теряются его пластические свойства (увеличивается хрупкость), поэтому полезным можно считать лишь небольшой наклеп. На рис. 1.
7 изображен общий вид диаграммы напряжений при на-клепв где наклонные прямые соответствуют разгрузке и повторным загружениям.
[c.12]
Сделана попытка дать некоторые исходные соображения о выборе ста ли и метода, упрочнения типовых деталей машин, конструкции и инструмента.
Рассмотрены пр1шцппы выбора комплекса прочностных свойств, которые определяют работоспособность металла (стали) в эксплуатации.
Дана классификация критериев оиепки конструктивной прочности стали, определяющих ее долговечность и надежность против внезапных разрушений. Систематизированы пути повышения проч1юсти металлов и сплавов.
[c.3]
Сильное понижение прочности твердого металла под влиянием малых количеств легкоплавкового поверхностно-активного расплава, в пределе приводит к самопроизвольному разрушению металлического кристалла, т. е. к проявлению всех его наиболее опасных дефектов.
Это позволяет осуществлять весьма тонкое диспергирование (например, в вибромельницах) таких металлов, которые не измельчаются в обычных условиях вследствие высокой пластичности.
Образовавшиеся частицы, в пределе — блоки мозаики реального кристалла, почти лишенные дефектов структуры, при понижении температуры ниже точки плавления легкоплавкой примеси объединяются тончайшими, а потому также высокопрочными прослойками припоя в плотный и сильно упрочненный мелкозернистый материал.
Возникают и другие комбинированные пути повышения прочности реальных твердых тел, приближающие ее к пределу — идеальной прочности бездефектного твердого тела — посредством объединенных физико-химических, термических и механических (вибрационных) воздействий.
[c.18]
Повышение сопротивления деформированию стали возможно вследствие создания внутренних границ в зерне (создание тонкой субструктуры) и изменения свойств кристаллов в объеме субмикрообластей. Оба эти пути приводят к более полному использованию междуатомных связей, т. е. к повышению прочности металла.
[c.177]
Эти особенности мартенситного преврашения указывают на то, что оно не связано с диффузионными процессами. Бездиффузионный механизм роста частиц мартенсита заключается в совместном (кооперативном) пе-ремешенни атомов на расстояния, меньшие межатомных, в результате чего и возникает новая кристаллическая решетка.
Оказалось, что подобные превращения присущи не только углеродистым сталям, но и другим сплавам железо — никель, медь — алюминий, титановым сплавам и даже чистым металлам — кобальту, литию.
Мартенситное превращение возможно в тех случаях, когда более высокотемпературная модификация не имеет возможности превратиться в нпзкоте у1пературную путем обычного диффузионного процесса. Препятствием для этого может явиться значительное снижение температуры и введение чужеродных атомов, т. е. легирование металла.
Например, в чистом железе мартенсит не удается получить, но в углеродистых сталях (сплавах железа с углеродом) он появляется при достаточно быстром охлаждении.
Повышение прочности металла вследствие мартенситного превращения объясняется образованием пересыщенного раствора (если речь идет о сплаве), возникновением двойников и возрастанием плотности дислокаций из-за упруго-пластической деформации, вызываемой фазовым превращением, выделением из раствора мельчайших частиц карбидов (в случае сплавов с углеродом).
[c.103]
Серьезной задачей при электрошлаковой сварке сталей с содержанием более 0,33% С является обеспечение равнопрочности металла шва с основным металлом. Эта задача частично решается путем применения сварочных проволок Св-10Г2 или Св-12ГС и перехода углерода из основного металла. Содержание углерода в шве доходит до 0,22—0,24%. Однако даже при этом прочностные свойства металла шва находятся на нижнем уровне свойств основного металла (см. табл. 9-19). Для повышения прочности металла шва рекомендуется применять сварочную проволоку, обеспечивающую многокомпонентное легирование. Высокой ударной вязкости металла шва и участка крупного зерна околошовной зоны для сталей этой группы так же, как и для низкоуглеродистых сталей, можно достигнуть пока только нормализацией.
[c.493]
BOM приближении прочность металлов при высоких температурах увеличивается с повышением их температуры плавления.
Это связано с тем, что ползучесть металлов при высоких температурах совершается путем восходящего движения дислокаций, которое может осуществляться при наличии термической активации и диффузии атомов.
Энергия активации процесса ползучести при высоких температурах Т по Дорну, равна энергии акти-
[c.117]
