Что такое теоретическая прочность металла

Обновлено: 14.05.2024

Теоретическую прочность металлов определяют из условий деформации или разрушения в упругой области идеальной решетки монокристалла, в которой действию внешней нагрузки противостоит межатомная связь. [3]

Принято различать техническую и теоретическую прочность металлов . [4]

Расчеты показывают, что теоретическая прочность металла почти в 100 раз выше их реальной прочности из-за концентрации напряжений в местах дефектов металла. Не менее важную роль, чем прочность для труб, играет пластичность металла. [5]

Необходимо отметить и неоднозначность подходов к определению теоретической прочности металлов . [6]

Многие металлы при пониженной температуре склонны к хрупкому разрушению при напряжениях, значительно меньших теоретической прочности металла . Эти явления объясняет теория хрупкого разрушения. Она ставит задачей определение критического состояния, при котором наблюдается катастрофически быстрое распространение трещины. [7]

В работе Е. Ф. Пичугина [720], в которой было установлено, что поверхностное натяжение а и теоретическая прочность металлов а макс подобно различным физическим свойствам подчиняются принципу периодичности, было найдено также, что в первом приближении связь между этими свойствами линейна. [8]

Исследование холодных трещин показало, что они состоят из очага разрушения и участка развития. Очаг разрушения предположительно возникает из-за упругого разрыва атомных связей при достижении местными напряжениями теоретической прочности металла и соответствующего структурного состояния металла, характеризующегося избытком дислокаций, вызванных закалкой при охлаждении металла или холодной пластической деформацией. Под влиянием напряжений дислокации мигрируют к границам, скапливаются там, давая начало очагу разрушения. [9]

Адсорбированный атомарный водород частично ре-комбинируется в молекулы водорода и десорбируется, а частично растворяется в решетке металла. Этот растворенный водород, согласно наиболее распространенной модели водородного охрупчивания, диффундирует в зону трехосного напряженного состояния, расположенную впереди вершины трещины и вызывает понижение теоретической прочности металла . При накоплении определенной, критической, концентрации водорода образуется сепаратная микротрещина, которая впоследствии сливается с магистральной. Доказательством водородного механизма влияния среды является скачкообразный рост трещин. Поскольку диффузия водорода по границам зерен значительно облегчена, что вызвано повышенной дефектностью их строения, докритический рост трещин происходит преимущественно меж-зеренно. [10]

Адсорбированный атомарный водород частично рекомбинируется в молекулы водорода и десорбнруется, а частично растворяется в решетке металла. Этот растворенный водород, согласно наиболее распространенной модели водородного охрупчп-вапия [425], дифундпрует в зону трехосного напряженного состояния, расположенную впереди вершины трещины и вызывает понижение теоретической прочности металла . При накоплении определенной, критической, концентрации водорода образуется сепаратная мнкротрещпна. Доказательством водородного механизма влияния среды является скачкообразный рост трещин. Поскольку диффузия водорода по границам зерен значительно облегчена, что вызвано повышенной дефектностью их строения, то докритиче-скин рост трещин происходит преимущественно межзеренно. В связи с этим для выяснения механизма влияния коррозионной среды часто привлекаются фрактографнческне исследования. В частности, ме кзереппын характер распространения трещин в высокопрочных низколегированных конструкционных сталях позволяет рассматривать водородное охрупчиванне как механизм, ответственный за ускорение роста трещины. [11]

Адсорбированный атомарный водород частично рекомбинируется в молекулы водорода и десорбируется, а частично растворяется в решетке металла. Этот растворенный водород, согласно наиболее распространенной модели водородного охрупчи-вания [425], дифундирует в зону трехосного напряженного состояния, расположенную впереди вершины трещины и вызывает понижение теоретической прочности металла . При накоплении определенной, критической, концентрации водорода образуется сепаратная микротрещина, которая впоследствии сливается с магистральной. Доказательством водородного механизма влияния среды является скачкообразный рост трещин. Поскольку диффузия водорода по границам зерен значительно облегчена, что вызвано повышенной дефектностью их строения, то докритиче-ский рост трещин происходит преимущественно межзеренно. В связи с этим для выяснения механизма влияния коррозионной среды часто привлекаются фрактографические исследования. В частности, межзеренный характер распространения трещин в высокопрочных низколегированных конструкционных сталях позволяет рассматривать водородное охрупчивание как механизм, ответственный за ускорение роста трещины. [12]

Адсорбированный атомарный водород частично рекомбинируется в молекулы водорода и десорбируется, а частично растворяется в решетке металла. Этот растворенный водород, согласно наиболее распространенной модели водородного охрупчи-вания [425], дифундирует в зону трехосного напряженного состояния, расположенную впереди вершины трещины и вызывает понижение теоретической прочности металла . При накоплении определенной, критической, концентрации водорода образуется сепаратная микротрещина, которая впоследствии сливается с магистральной. Доказательством водородного механизма влияния среды является скачкообразный рост трещин. Поскольку диффузия водорода по границам зерен значительно облегчена, что вызвано повышенной дефектностью их строения, то докритиче-ский рост трещин происходит преимущественно межзереыно. В связи с этим для выяснения механизма влияния коррозионной среды часто привлекаются фрактографические исследования. В частности, межзеренный характер распространения трещин в высокопрочных низколегированных конструкционных сталях позволяет рассматривать водородное охрупчивание как механизм, ответственный за ускорение роста трещины. [13]

В титане и других металлах, экзотермически абсорбирующих водород, внутреннее давление весьма мало и не может стимулировать образование и распространение трещин. В этих металлах водород, транспортируемый дислокациями к препятствиям, может облегчить раскрытие трещины, по крайней мере, по четырем причинам: 1) водород снижает силы сцепления и вместе с тем теоретическую прочность металлов ; 2) в результате абсорбции водорода на поверхности трещины снижается поверхностная энергия; 3) локальная концентрация водорода в области скопления дислокаций становится достаточной для образования субмикроскопических выделений гидридов; 4) водород искажает решетку металла и тем самым препятствует рассеянию энергии скопления дислокаций за счет пластической деформации. [14]

Теоретическая и реальная прочность твердых тел. Роль дефектов и трещин

Рассчитанная прочность в отличие от найденной экспериментально называется теоретической.

Теоретическая прочность зависит от природы сил взаимодействия между частицами (ионная, ковалентная, металлическая связь и др.) и от структуры материала.

Например, Орован предложил формулу

где - свободная поверхностная энергия твердого тела;

Е - модуль упругости при растяжении;

х - равновесное межчастичное расстояние.

Более упрощенной является зависимость

Реальная прочность (техническая) твердых тел на два - три порядка меньше теоретической, так как в материале есть микротрещины различных размеров и ориентации. Трещины являются концентраторами напряжения, напряжение на их краях может быть во много раз больше среднего напряжения в сечение образца.

Если величина перенапряжения () у вершины наиболее опасной трещины равна теоретической прочности (), то происходит быстрый рост трещины и образец разделяется на две части. Приложенное напряжение при этом соответствует так называемой максимальной технической прочности ().

Коэффициент концентрации напряжения в вершине микротрещины равен. Он зависит от формы и размеров трещины, ее ориентации по отношению к направлению растяжения. Поэтому максимальная техническая прочность не является константой материала.

Максимальную техническую прочность Гриффитс рассчитывал из условия: трещина растет только тогда, когда уменьшение упругой энергии в образце в процессе ее роста (за счет разгрузки материала вокруг растущей трещины) равно или больше увеличения потенциальной энергии, происходящего при образовании новых поверхностей разрыва. (По русски: прочность зависит от поверхностной энергии, когда образец рвется поверхностная (потенциальная) энергия увеличивается, а упругая энергия уменьшается. Когда Упр. Эн. Уменьшается сильнее чем увеличиваеться Пот. Эн. Образчу пиздец)

Формула Гриффитса. Изменение упругой энергии (ΔW) в образце в виде тонкой пластинки при образовании в ней трещины длиной (С), ориентированной перпендикулярно направлению растяжения, равно

где δ - толщина пластинки; μ - коэффициент Пуассона.

Изменение упругой энергии является отрицательной величиной. Поверхностная энергия трещины длиной (с) равна (). Следовательно, при увеличении длины трещины на малую величину (d_c) упругая энергия уменьшается согласно выражению (3.2) на . Одновременно поверхностная энергия увеличивается на .

По Гриффитсу условием разрушения является равенство этих изменений энергии. Из этого следует, что максимальная техническая прочность пластинки с внутренней трещиной длиной (с) равна

в случае плоского напряженного состояния.

При наличии краевой микротрещины, длина которой l вдвое меньше длины внутренней трещины

Из этих формул следует, что в средах, уменьшающих свободную поверхностную энергию, прочность уменьшается.

Дальнейшие исследования позволили уточнить условии, при которых трещина Гриффитса будет расти или смыкаться

(Изменение энергии (W) при образовании в ней трещины длиной (С))

Если длина трещины больше критической длины, то дальнейшее ее увеличение приведет к уменьшению общей энергии образца и трещина должна самопроизвольно расти.

Если трещина меньше критической, то к уменьшению общей энергии приведет ее уменьшение и трещина должна самопроизвольно смыкаться. При большем напряжении критическая длина трещины, при которой она является неустойчивой, меньше чем при малом, т. е. = const.

Очагом зарождения трещин являются различные микродефекты:

Хрупкому разрушению металлического монокристалла всегда предшествует местная пластическая деформация, в ходе которой формируются дислокационные микронеоднородности, являющиеся концентраторами внутренних напряжений и вызывав поэтому зарождение и развитие трещины. Происхождение и форма трещины зависят прежде всего от того, с хрупким или пластическим материалом мы имеем дело.

Можно выделить три основных типа разрушения твердых тел.

Первый тип разрушения проявляется, когда дефекты в объеме и на поверхности одинаковы по степени опасности или возникают одновременно в процессе деформирования. Тогда во всем образце одновременно развивается множество микротрещин, которые за тем сливаются в одну магистральную трещину. При этом вся поверхность разрыва образна шероховатая. Так разрушаются поликристаллы, в которых микротрещины возникают в кристаллитах в результате пластической деформации и на ослабленных границах зерен. В монокристаллах множество предразрывных трещин возникает вследствие местных пластических деформаций в различных местах объема.

Второй тип проявляется, когда поверхностные дефекты опаснее внутренних и степень опасности отдельных поверхностных дефектов примерно одинакова. В этом случае при определенных условиях трещины растут единым фронтом кцентру образца. Так разрушаются нехрупкие твердые полимеры при малых напряжениях и больших временах испытаний.

Третий тип разрушения проявляется, когда на поверхности или в объеме хрупкого материала имеется выделяющийся по степени опасности дефект, от которого растет первичная трещина. По мере роста первичной трещины напряжение (σ') в оставшемся неразрушенном сечении образца становится все больше по сравнению с исходным номинальным напряжением, рассчитанным на все поперечное сечение; вследствие этого рост трещины ускоряется. Когда нарастающее напряжение σ' становится равным, а затем превосходит критическое σ_к, происходит переход от первой стадии разрыва ко второй и первичная трещина растет со скоростью, близкой к критической (υ_K). Вторичные трещины начинают быстро расти в оставшемся сечении при . Они образуют шероховатую зону поверхности разрушения, которая покрыта линиями скола, возникающими при встрече фронтов растущих трещин. Третий тип разрушения характерен для таких хрупких, твердых тел, как алмаз, ионные кристаллы, хрупкие пластмассы, керамические материалы, неорганические стекла.

Физические основы прочности металлов

Основными механическими свойствами являются прочность, пластичность, упругость, вязкость, твердость.

Зная механические свойства, конструктор при проектировании обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность машин и конструкций при их минимальной массе.

Пластичность и прочность относятся к важнейшим свойствам твердых тел.

Оба эти свойства, взаимно связанные друг с другом, определяют собой способность твердых тел противостоять необратимому формоизменению и макроскопическому разрушению, т. е. разделению тела на части в результате возникающих в нем под воздействием внешних или внутренних силовых полей микроскопических трещин.

Для технолога очень важное значение имеет пластичность, определяющая возможность изготовления изделий различными способами обработки давлением, основанными на пластическом деформировании металла.

Материалы с повышенной пластичностью менее чувствительны к концентраторам напряжений и другим факторам охрупчивания.

По показателям прочности, пластичности и т. д. производят сравнительную оценку различных металлов и сплавов, а также контроль их качества при изготовлении изделий.

В физике и технике пластичность — способность материала получать остаточные деформации без разрушения и сохранять их после снятия нагрузки.

Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др.

Прочность твёрдых тел, в широком смысле — свойство твёрдых тел сопротивляться разрушению (разделению на части), а также необратимому изменению формы (пластической деформации) под действием внешних нагрузок. В узком смысле — сопротивление разрушению.

Цель настоящей работы – изучить физические основы пластичности и прочности металлов.

Физические основы прочности металлов

Прочность является фундаментальным свойством твердых ,тел. Она определяет способность тела противостоять без разрушения действию внешних сил. В конечном счете, как известно, прочность определяется величиной и характером межатомной связи, структурной и атомно-молекулярной подвижностью частиц, составляющих твердое тело. Механизм этого явления остается нерешенным и в настоящее время. Остается невыясненным вопрос о природе прочности, о сущности процессов, протекающих в материале, находящемся под нагрузкой. В вопросах прочности не только нет законченной физической теории, но даже по самым основным представлениям существуют расхождения во взглядах и противоположные мнения.

Конечной целью изучения механизма разрушения должно быть выяснение основных принципов создания новых материалов с заданными свойствами, улучшения существующих материалов и рационализация способов их обработки.

Прочностью называют свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу. По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные (временное сопротивление не превышает 50 МПа) - олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы;

прочные (от 50 до 500 МПа) - магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов;

высокопрочные (более 500 МПа) - молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 1.

Металл	Временное сопротивление, МПа	Металл	Временное сопротивление, МПа
Титан	Цинк	120-140
Железо	200-300	Алюминий	80-120
Медь	200-250	Золото
Магний	120-200	Олово
Серебро	Свинец

Большинство технических характеристик прочности определяют в результате статического испытания на растяжение. Образец, закрепленный в захватах разрывной машины, деформируется при статической, плавно возрастающей нагрузке. При испытании, как правило, автоматически записывается диаграмма растяжения, выражающая зависимость между нагрузкой и деформацией. Небольшие деформации с очень большой точностью определяются тензометрами.

Чтобы исключить влияние размеров образцов, испытания на растяжение проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной l₀ и площадью поперечного сечения F₀ .

Наиболее широко применяют образцы круглого сечения: длинные с l₀ /d₀ = 10 или короткие с l₀ /d₀ = 5 (где d₀ - исходный диаметр образца).

На рис. 1, а приведена диаграмма растяжения малоуглеродистой отожженной стали. При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки.

До точки а эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению

где Р - приложенная нагрузка; F_o - начальная площадь поперечного сечения образца.

Нагрузке в точке а, определяющей конец прямолинейного участка диаграммы растяжения, соответствует предел пропорциональности.

Теоретический предел пропорциональности- максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией

Так как при определении положения точка а на диаграмме могут быть погрешности, обычно пользуются условным пределом пропорциональности , под которым понимают напряжение, вызывающее определенную величину отклонения от линейной зависимости, например tg альфа изменяется на 50% от своего первоначального значения.

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

где эпсилон = (дельта l/l_о ) 100% - относительная деформация;

дельта l - абсолютное удлинение, мм;

l₀ - начальная длина образца, мм.

Рис.1 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести σ0,2 (б)

Коэффициент пропорциональности Е (графически равный tg aльфа), характеризующий упругие свойства материала, называется модулем нормальной упругости.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т. е. возрастает жесткость (устойчивость) конструкции (изделия). Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости.

Величина модуля зависит от природы сплава и изменяется незначительно при изменении его состава, структуры, термической обработки.

Например, для различных углеродистых и легированных сталей после любой обработки Е = 21000 кгс/мм 2 .

Теоретический предел упругости - максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

Если действующее напряжение в детали (конструкции) меньше σ_уп , то материал будет работать в области упругих деформаций.

Ввиду трудности определения σ_уп практически пользуются условным пределом упругости , под которым понимают напряжение, вызывающее остаточную деформацию 0,005-0,05% от начальной расчетной длины образца. В обозначении условного предела упругости указывают величину остаточной деформации, например σ0,005 и т. д.

Для большинства материалов теоретические пределы упругости и пропорциональности близки по величине. Для некоторых материалов, например меди, предел упругости больше предела пропорциональности.

Предел текучести - физический и условный- характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

Физический предел текучести- напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке

Ha диаграмме растяжения пределу текучести соответствует горизонтальный участок с - d, когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть технических металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Для них наиболее часто определяют условный предел текучести - напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1, б):

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке В, где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» - сужения поперечного сечения; деформация сосредоточивается на одном участке - из равномерной переходит в местную.

Напряжение в материале в этот момент испытания называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) - напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

По своей физической сущности σ_в характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластической деформации.

За точкой В (см. рис. 1, а) в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке k при нагрузке P_k происходит разрушение образца.

Истинное сопротивление разрушению - максимальное напряжение, которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца

где F_K - конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Несмотря на то что нагрузка Р_к в , вследствие образования шейки F_K 0 , и поэтому по величине S_К значительно больше, чем σ_в .

Истинные напряжения . Рассмотренные показатели прочности: σ_т , σ_в и др., за исключением S_k , являются условными напряжениями, так как при их определении соответствующие нагрузки относят к начальной площади сечения образца F₀ , хотя последняя постепенно уменьшается по мере деформации образца. Более точное представление о напряжениях в образце дают диаграммы истинных напряжений (рис. 2).

Рис.2 Диаграмма истинных (S) и условных (σ) напряжений: ψ - поперечное сужение образца.

Истинные напряжения S_i = P_i /F_i определяют по нагрузке P_i и площади поперечного сечения F_i в данный момент испытания. Примерно до точки b (рис. 2,) т. е. точки В на рис. 72, а, различие между истинными и условными напряжениями невелико и S_B = σ_в . Затем истинные напряжения увеличиваются, достигая максимального значения S_k в момент, предшествующий разрушению.

При испытании на растяжение, кроме характеристик прочности, определяют также характеристики пластичности.

Теоретическая и реальная прочность металла

еоретический расчет прочности кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

На рис. 5.1. межплоскостное расстояние (расстояние между рядами) принято равным а, а расстояние между атомами в направлении скольжения составляет Ь. Под действием сдвигового напряжения х атомные ряды будут смещаться относительно друг друга, попадая в равновесные позиции в таких точках, как А и В, где напряжение сдвига, необходимое для сохранения данной конфигурации, равно нулю. Это напряжение равно нулю также и в случае, когда в обоих рядах атомы располагаются точно друг над другом в положениях С и D. В промежуточных позициях напряжение имеет какие-то конечные значения, которые периодически меняются в объеме решетки. Если под действием сдвигового напряжения смещение составляет х, то напряжение будет являться периодической функцией х с периодом Ъ. В наиболее простой форме эта зависимость может быть представлена в виде синусоидальной кривой (см. рис. 5.1):
х = ksm(2nx/b). (5.1)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига.
Если приравнять приведенные выражения для х, то; х = Gb/lmi; подставляя это значение х в соотношение (5.1), получим:
х = ksin(2nx/b)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига. Дальнейшие расчеты приводить не будем.

Если принять, что а =Ь, тогда теоретическое критическое напряжение сдвига приближенно равно G/2n. Например, для кристаллов меди G = 46 ООО МПа, следовательно, теоретическое значение т = 7320 МПа. В то же время для реальных кристаллов меди наблюдаемое сопротивление сдвигу составляет всего лишь 1,0 МПа. Таким образом, теоретическое значение прочности на несколько порядков выше действительной величины.

Уточнение приведенного выше расчета путем использования более близкого к действительности закона периодического изменения т в зависимости от х приводит к выражению ткр = G/30 (расчет по Маккензи), что также на несколько порядков превышает реальное сопротивление сдвигу.

Аналогичные рассуждения можно провести для случая, когда в результате действия нормальных напряжений происходит одновременный разрыв межатомных связей для двух рядов атомов и образуется трещина. Работа, затрачиваемая на разрушение, расходуется на создание двух новых поверхностей, обладающих поверхностной энергией уг. Теоретическую прочность идеального кристалла, определенную из условия равенства работы отрыва двух рядов атомов и поверхностной энергии, образованной при этом трещины.

Фактическая прочность материалов на несколько порядков меньше значений теоретической прочности. Объяснение расхождения теоретической и реальной прочности материалов дает теория дефектов кристаллического строения, позволившая раскрыть сущность явлений, происходящих при пластической деформации, и установить физическую природу пластичности и прочности металлов и их сплавов.

Теоретическая и практическая прочность металлов.

Теоретический расчет прочности кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

Остаточные напряжения. Наклёп.

Наклеп - это холодная механическая обработка поверхности, которая заключается в выбрасывании на металлическую деталь дробинок определенного вида и твердости, чтобы ввести на поверхность остаточные напряжения сдавливанием. Упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера).

Наклеп на сегодня является широко известной операцией, которая доказала свою необходимость во многих сферах применения, основными принципами которых являются:

Улучшение эксплуатационных качеств деталей, подвергающихся механическим воздействиям глобальным (усталость) или локальным (износ), связанным с агрессивной химической средой (коррозия под напряжением)
Придание формы тонкостенным деталям (наклеп)
Детали, подвергающиеся циклическим напряжениям изгиба или скручивания: пружины подвески (винтовые, листовые), рычаги, поршни, лопасти, валы, зубчатые колеса, торсионы, шпонки, звенья цепей и т.д.
Скорость подачи дроби на деталь 20-120 м/с

· Остаточные напряжения. Классификация

В процессе производства деталей возникают технологические остаточные напряжения. Их появление связано с условиями изготовления деталей.

Виды остаточных напряжений

Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода - макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.

Напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения 3-го рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50. 200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения - местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры - результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Фазовые превращения (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твёрдого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объёма отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникать из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям.

В реальном поликристаллическом металле вместо предполагаемого по расчету равномерного распределения напряжений от действия внешней нагрузки имеет место значительная неравномерность напряжений (деформаций) в отдельных зернах. Неравномерная пластическая деформация обусловливается разницей в модулях упругости различных структурных составляющих, а также неодинаковой способностью деформироваться по разным кристаллографическим осям одного и того же зерна, которая определяется величиной модулей упругости Е и G. В поликристалле, даже при однородном поле напряжений, пластическая деформация распределяется в микрообъемах неравномерно, степень неравномерности при этом достигает 400. 500%. Скопление большого числа дислокаций в граничных слоях вызывает многочисленные искажения атомной решетки, а это создает напряжения 3-го рода. Наряду с этим граничный слой - зона силового взаимодействия между отдельными зернами - создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры при низких температурах остается постоянным.

Читайте также: