10162

Известно, что анизотропны все кристаллы. Степень анизотропно-

сти может быть значительной. Исследования монокристалла (единич-

ного кристалла) меди в различных направлениях показали, что предел прочности ζв изменяется от 120 до 360 МПа, а удлинение δ от 10 до

55%.

В отличие от кристаллов аморфные тела (например, глина) в раз-

личных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одинаковые свойства, т. е. они изотропны. В метал-

лах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликристалл), свойства во всех на-

правлениях одинаковы (усредненные). Эта независимость свойств от на-

правления называется квазиизотропией. Если в структуре металла создает-

ся одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

1.3. Кристаллизация металлов

Когда металл переходит из жидкого состояния в твердое, этот про-

цесс называется кристаллизация.

центры кристаллизации

Рис. 1.11. Последовательные этапы процесса кристаллизации

Основы теории кристаллизации разработаны основоположником нау-

ки о металлах – металловедения Д.К. Черновым. Он установил, что кри-

сталлизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц

20

кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис. 1.11).

В процессе роста кристаллов к их зародышам присоединяются все но-

вые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы свободны и сохраняют правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов друг с другом. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается. В результате кристал-

лы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы назы-

вают кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа цен-

тров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла,

тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис. 1.12).

На практике это подтверждается в тонких сечениях литых деталей,

охлаждающихся более быстро. На этих участках металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых объемах, охлаж-

дающихся медленнее.

Метод получения мелкого зерна при затвердевании металла заключа-

ется созданием искусственных центров кристаллизации. Для этого в рас-

плавленный металл вводят специальные вещества, называемые модифика-

торами; процесс искусственного регулирования размеров зерен получил название модифицирования.

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их столкновений между собой, но и составом сплава, наличием примесей и условиями охлаждения. В большинстве случаев при кристаллизации ме-

таллов механизм образования кристаллов носит так называемый дендрит-

ный характер.

Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей

21

происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет главным образом в тех направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов (минимальное межатом-

ное расстояние). В этих направлениях образуются длинные ветви будуще-

го кристалла – так называемые оси первого порядка (1 на рис. 13, б).

центры кристаллизации

начало конец кристаллизации

Рис. 1.12. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен: 1 – медленное охлаж-

дение; 2 – ускоренное охлаждение; 3 – быстрое охлаждение

В дальнейшем от осей первого порядка под определенными углами начинают расти новые оси, которые называют осями второго порядка (2),

22

от осей второго порядка растут оси третьего порядка (3), т.д.

По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка

(четвертого, пятого, шестого и т.д.), которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис. 1.13. Дендритная кристаллизация: а) дендрит Чернова (высота 30

см, масса 3,45 кг); б) схема дендритного строения по Чернову: 1 – оси первого порядка; 2 – оси второго порядка; 3 – оси третьего порядка

В условиях, при которых не хватает жидкого металла для заполнения пространства между осями, например, при затвердевании последних объе-

мов слитка, дендритное строение выявляется весьма отчетливо (рис.

1.13,а).

Степень переохлаждения зависит от природы и чистоты металла. Чем чище металл, тем при большей степени переохлаждения возникают заро-

дыши твердых кристаллов.

23

1.4. Физико-механические и технологические свойства

Металлы сочетают хорошие физико-механические свойства с техно-

логичностью. Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них того же порядка, что и прочность на сжа-

тие. Плотность стали составляет 7850 кг/м3, что в три раза выше в срав-

нении с бетоном.

На рис. 1.10 представлена диаграмма, характеризующая свойства растяжения металла. Диаграмма растяжения состоит из трех участков:

упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной деформации шейки ВС.

Рис. 1.10. Диаграммы растяжений: а – с площадкой текучести;

б – без площадки текучести

Участок упругой деформации имеет прямолинейный вид и характери-

зует жесткость металла. Чем меньшую упругую деформацию претерпевает металл под действием нагрузки, тем выше его жесткость. Упругая деформа-

ция не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла. После снятия нагрузки сместившиеся атомы под действием сил притяжения (при растяжении) или отталкивания (при сжатии) возвращают-

ся в исходное равновесное положение, и кристаллы приобретают первона-

24

чальную форму и размеры. Упругие свойства материалов определяются силами межатомного взаимодействия.

В основе пластической деформации лежит необратимое перемещение одних частей кристалла относительно других. После снятия нагрузки исче-

зает лишь упругая составляющая деформации. Пластичность, т.е. способ-

ность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластиче-

скую деформацию, является одним из важнейших свойств металлов. Бла-

годаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением. Пла-

стичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объему металла, что уменьшает опасность разрушения.

Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без за-

метного увеличения нагрузки («течет»), называется физическим пределом текучести ζТ (рис. 1.10,а). Если площадка текучести отсутствует, опреде-

ляют условный предел текучести ζ0,2, при котором образец получает оста-

точное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины (рис.

1.10,б).

Предел текучести – основной показатель прочности при расчете до-

пустимых напряжений, характеризующих сопротивление малым пластиче-

ским деформациям.

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествую-

щей разрушению, называется временным сопротивлением или пределом прочности ζВ. Величина пластической деформации к моменту разрушения характеризует пластичность металла. Различают две характеристики пла-

стичности: отностительное удлинение δ, %, и относительное сужение ψ, %. Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15%; ψ ≥ 45%.

Относительное удлинение (δ), определяется отношением абсолют-

ного удлинения к первоначальному линейному размеру, %.

Относительное сужение (ψ), определяется отношением поперечной площади образца в месте разрыва к первоначальному сечению, %.

Сопротивление металла ударному изгибу – ударную вязкость (ε). Это

25

динамическое испытание образцов проводят на маятниковом копре и ха-

рактеризует оно способность к хрупкому разрушению.

Предел выносливости ζR - максимальное напряжение, которое выдер-

живает материал, не разрушаясь при достаточно большом числе повторно-

переменных нагрузок, МПа.

Твердость металлов, определяемая на твердомерах Бринелля (НВ),

Роквелла (HRС) или Виккерса (HV) по величине отпечатков от вдавливае-

мых предметов на поверхности металла.

Наклеп – упрочнение, получаемое металлом в результате пластиче-

ской деформации. Выражается в повышении твердости, предела текучести и предела прочности и сопровождается снижением пластичности и вязко-

сти. Наклеп проявляется при холодной обработке металла давлением (во-

лочение, штамповка, загиб). Наклепаный металл вследствие искажения кристаллической решетки испытывает внутренние напряжения.

Жаростойкость по ГОСТ 6130 – 71 определяется глубиной проник-

новения коррозии, выраженной в миллиметрах в год, при соответствую-

щих условиях (среды, температуры и длительности испытания).

Все данные по коррозионной стойкости указаны в соответствии с ГОСТ 9908-85 по глубине проникновения коррозии на допустимую (за-

данную) глубину с учетом влияния среды, температуры, длительности испытания. Коррозионная стойкость металла оценивается по скорости проникновения коррозии металла, т.е. уменьшению толщины металла вследствие коррозии, выраженному в линейных единицах, к единице вре-

мени (мм/год).

При подборе конструкционных материалов следует учитывать, что скорость точечной коррозии на сталях, которые подвержены этому виду разрушения, как правило, в несколько раз превышает скорость общей коррозии.

Свариваемость стали и сплавов является комплексной характеристи-

кой стали, определяющейся технологическими трудностями, возникающи-

26

ми при сварке, и эксплуатационной надежностью сварных соединений. В

справочнике даны характеристики так называемой технологической свари-

ваемости.

В зависимости от сложности технологических приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получе-

ние сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:

1) стали, свариваемые без ограничения (сварка производится без по-

догрева и без последующей термообработки); 2) ограниченно свариваемые стали (сварка возможна при подогреве до

100–120°С и последующей термообработке);

3)трудносвариваемые стали (для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200–300°С

при сварке, термообработка после сварки – отжиг);

4)стали, не применяемые для сварных конструкций.

Оценка характеристик литейных свойств принята в виде относитель-

ных величин коэффициентов, равных отношению показателей для иссле-

дуемого и эталонного сплавов, определенных по единым методикам. В

качестве эталонной принята сталь марки 30Л.

Технологичность оценивается следующими показателями:

-жидкотекучесть Кж.т (отношение значений жидкотекучести данной стали и эталонной);

-трещиноустойчивость Кт.у (отношение значений трещиноустойчиво-

сти данной стали и эталонной);

-склонность стали к образованию усадочных раковин Ку.р (отношение объема усадочной раковины в отливках из данной стали и эталонной);

-склонность стали к образованию усадочной пористости Ку.п (отноше-

ние пористой зоны в отливках из данной стали и эталонной).

Жидкотекучесть определяется по спиралевидной пробе по ГОСТ

16438-70. Длина залитой спирали в сантиметрах выражает жидкотекучесть

27

сплава.

Склонность стали к образованию усадочных раковин и пор определя-

ется на цилиндрическом образце, переходящем в верхней части в усечен-

ный конус; усадочная пористость – по ширине пористой зоны; трещино-

устойчивость на приборе конструкции ЦНИИТмаша. Прибор показывает стойкость стали против образования горячих трещин, которые образуются вследствие заторможенной усадки образцов. Литейные свойства опреде-

ляются при температуре начала затвердевания слитка 50–70ºС.

Обрабатываемость стали и сплавов резанием определяется для усло-

вий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами,

оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей), и

резцами из быстрорежущей стали Р18, Р12 (для углеродистых и легиро-

ванных сталей) при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи

0,2 мм/об и главного угла в плане резцов y = 60º.

Обрабатываемость стали и сплавов резанием оценивается по скорости резания, соответствующей 60-мин стойкости резцов V60, и выражена ко-

эффициентами Kvтв.спл и Kvб.ст по отношению к эталонной стали. В качестве эталонной стали принята углеродистая сталь 45 (ζв= 637 МПа, НВ = 179),

скорость резания V60 которой взята за единицу. Коэффициенты обрабаты-

ваемости данной стали для условий точения твердосплавными резцами

Kvтв.спл = V60/145, где V60 – скорость резания, соответствующая 60-мин стойкости резцов, при точении данной стали, м/мин; 145 – значения скоро-

сти резания при 60-мин стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной стали 45.

Коэффициенты обрабатываемости стали Kv для условий точения рез-

цами из быстрорежущей стали Kvб.ст = V60/70, где 70 – значение скорости резания при 60-мин стойкости быстрорежущих резцов при точении эта-

лонной стали 45.

Для принятых условий резания абсолютное значение скорости реза-

ния V60 данной стали определяется умножением ее коэффициента Kvтв.спл

28

или Kvб.ст на соответствующие значения эталонной стали 45.

Прокаливаемость определяется по ГОСТ 5657-69. Под прокаливаемо-

стью понимают глубину проникновения закаленной зоны, т. е. свойство стали закаливаться на определенную глубину от поверхности. (минималь-

ное и максимальное значения твердости в зависимости от расстоянии от охлаждаемого участка).

По склонности к образованию флокенов (флокеночувствительность)

деформируемые стали условно разбиты на четыре группы: нефлокеночув-

ствительные, малофлокеночувствительные, флокеночувствительные и повышенной флокеночувствительности.

Склонность к отпускной хрупкости стали проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска или при длительных выдержках в интервале температур 450–600°С. Стали условно разбиты на три группы: не склонные к отпускной хрупкости, мало склонные и склонные.

1.5. Хрупкое и вязкое разрушение

Заключительная стадия деформирования материалов – стадия разру-

шения – стала объектом исследования сравнительно недавно, так как раньше считали, что после появления трещин в материале изделие нельзя использовать. Разрушение рассматривалось как заключительная мгновен-

ная стадия нагружения, которая не может быть остановлена. В настоящее время выявлено, что стадия разрушения с момента появления повреждения может составлять до 90 % долговечности конструкции.

Разрушение твердого тела представляет собой процесс разделения его на части под действием нагрузки, который так же может сопровождаться термическими, радиационными, коррозионными и другими воздействиями.

На атомном уровне разрушения представляют собой разрыв межатомных связей с образованием новых поверхностей. Если разрыв межатомных

29