Свойства металла при низких температурах
Обновлено: 18.05.2024
С понижением температуры против комнатной механические свойства металлов и их сплавов меняются, причем в зависимости от типа кристаллической решетки, структуры и чистоты металла, условий нагружения и др. факторов могут наблюдаться различные по характеру изменения.
При низких темп-рах сопротивление пластич. деформации (пределы текучести, прочности, твердость), как правило, возрастает; у материалов с решеткой объемноцентрированного куба (ОЦК) особенно сильно возрастает предел текучести, у материалов с решеткой гранецентрированного куба (ГЦК) предел текучести обычно увеличивается в меньшей мере, чем предел прочности. При низких температурах мало изменяются сопротивление хрупкому разрушению, модули нормальной упругости и сдвига. Пластичность и вязкость с понижением температуры обычно уменьшаются, что особенно сильно выражено у металлов с решеткой ОЦК, а у металлов и сплавов с решеткой ГЦК пластичность либо понижается слабо (жаропрочные сплавы на никелевой основе, нек-рые алюминиевые сплавы), либо возрастает (медь и ее сплавы).
Наиболее сильно с понижением темп-ры уменьшается ударная вязкость; у многих конструкционных сталей, никелевых и титановых сплавов наблюдается плавное падение ан, тогда как у железа, углеродистой стали, молибдена и нек-рых др. материалов падение ударной вязкости (или пластичности) происходит в узком интервале темп-р, называемом критическим температурным интервалом хрупкости. В этом интервале происходит переход от вязких волокнистых изломов к хрупким кристаллич. изломам с низкими значениями пластичности и вязкости.
Иногда этот переход выражен настолько резко, что говорят о критической темп-ре хрупкости. Образование хрупких разрушений при понижении темп-ры наз. хладноломкостью. Для нек-рых материалов темп-ра перехода в хрупкое состояние может быть значительно выше комнатной. Механич. природу хладноломкости объясняет известная схема А. Ф. Иоффе. У хладноломких металлов при понижении темп-ры предел текучести резко повышается и, начиная с нек-рой темп-ры (критич. темп-ры хрупкости), когда предел текучести становится выше сопротивления отрыву, могут наблюдаться только хрупкие изломы, в то время как у нехладноломких материалов предел текучести вплоть до самых низких темп-р может быть значительно ниже сопротивления отрыву. Для объяснения физич. природы хладноломкости выдвигается много гипотез (двойникования, примесей и др.).
Много экспериментальных фактов говорит в пользу гипотезы примесей, связывающей наступление хрупкости при понижении темп-ры с тем, что атомы примесей, внедренные в решетку основного твердого раствора, вызывают у хладноломких материалов деформацию решетки; напр., в решетке ОЦК эти атомы, располагаясь в центрах граней или ребер куба, искажают ее кубич. симметрию и придают ей нек-рую тетрагона л ьность. Чем ниже темп-ра, тем сильнее внедренные атомы деформируют решетку, что и обусловливает резкое повышение предела текучести при понижении темп-ры. У нехладноломких металлов с решеткой ГЦ К внедренные атомы примесей, располагаясь в центре куба, не нарушают ее симметрии. В пользу гипотезы примесей говорит также то, что многие металлы становятся хладноломкими лишь в присутствии примесей. Так, при наличии в технич. титане 0,05% Н он сохраняет высокое сужение (выше 50%) при темп-ре —196°,
В малолегированной нормализованной конструкционной стали с увеличением содержания углерода повышается и расширяется критич. температурный интервал хрупкости; в закаленном и отпущенном состоянии при среднем содержании углерода его влияние зависит от темп-ры отпуска; для высокопрочной стали оптимальным, по-видимому, является содержание углерода 0,3—0,4%, при к-ром эта сталь имеет наиболее высокое сопротивление отрыву. Никель положительно влияет на св-ва при низких темп-рах малоуглеродистой нормализованной и среднеуглеродистой улучшенной стали. Хром до 1% практически не влияет на критич. темп-ру хрупкости малоуглеродистой нормализованной стали, а затем повышает ее. В улучшенном состоянии отрицат. влияние хрома начинает сказываться при содержании его выше 2—3%. Марганец при содержании до 1,5% понижает критич. темп-ру хрупкости нормализованной малоуглеродистой стали, однако присутствие др. легирующих элементов может снизить положит, влияние указанной концентрации марганца. В сред- неуглеродистой стали в состоянии закалки и низкого отпуска увеличение содержания марганца приводит к повышению критич. темп-ры хрупкости. Фосфор и кремний отрицательно влияют на св-ва при низких темп-рах, сдвигая критич. интервал хрупкости в сторону более высоких темп-р. При увеличении содержания фосфора от 0,11 до 0,41% в малоуглеродистой стали верхняя граница критич. температурного тогда как при 1% Н наблюдается резкое падение г|) (с 55—60 до 20%) в интервале темп-р от —40 до —80°. В хроме, содержащем 0,02% N и 0,03% С, обнаруживается переход от вязкого к хрупкому разрушению при темп-ре 600°; очищенный же от примесей азота и углерода хром сохраняет пластичность и при комнатной темп-ре. Хладноломкость проявляется только в сталях мартенситного и перлитного классов и не проявляется в сталях аустенитного класса.
Нек-рые легирующие элементы значительно влияют на хладноломкость стали. Хром, марганец, особенно никель, в определенных пределах гомогенизируют твердый раствор углерода в железе, что делает сталь менее хладноломкой. При увеличении содержания хрома и марганца, когда проявляется склонность к карбидной ликвации, порог хладноломкости повышается.
Закаленные и отпущенные стали менее склонны к хладноломкости, чем отожженные, и поэтому во многих случаях имеют при низких темп-рах более высокую ударную вязкость. Перлит нормализованной стали имеет более высокую критич. темп-ру хрупкости, чем бейнит или смесь бейнита и отпущенного мартенсита.
Большое влияние на склонность к хладноломкости оказывает размер зерна. Известно, что с увеличением размера зерна понижается сопротивление отрыву и, следовательно, в соответствии со схемой А. Ф. Иоффе должен наблюдаться б злее ранний (по темп-ре) переход в хрупкое состояние. Отрицат. влияние крупного зерна проявляется у всех материалов, вязкого к хрупкому разрушению при понижении темп-ры, однако по сравнению с железом он менее склонен к хладноломкости, отчетливо проявляющеися лишь при достаточно большом размере зерна. У крупнозернистого ниобия при —253° наблюдается совершенно хрупкий отрыв и двойники в структуре, а мелкозернистый при этой же темп-ре пластически деформируется, в структуре имеются линии скольжения и двойникования, разрушение в шейке носит смешанный характер (отрыв и срез).
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Свойства металла при низких температурах
Хрупкое разрушение стальных конструкций наблюдается особенно часто при низких температурах. Упомянутые выше случаи разрушения резервуаров а судов происходили при температурах ниже нуля. В условиях крайнего севера, где металлические конструкции и механизмы работаюг зачастую при температурах —40° и —50°, хрупкие разрушения, особенно часты, и проектирование сооружений, работающих в этих условиях, требует особого внимания. Явление хрупкости стали при низких температурах получило название хладноломкости. Схематическое объяснение хладноломкости может быть следующее (А. Ф. Иоффе, 1924 г.). Пластические свойства металла в сильной степени зависят от температуры, предел текучести с понижением температуры повышается. В то же время сопротивление отрыву практически не зависит от температуры. Поэтому при низких температурах условия перехода от хрупкого разрушения к пластическому меняются и отрыв становится возможным прежде, чем наступит пластическое состояние. В частности, и при растяжении может случиться, что образец разорвется прежде, чем появятся пластические деформации. Не у всех металлов оказывается возможным получить хрупкое разрушение при растяжении за счет понижения температуры; металлы с гранецентрированной решеткой сохраняют пластические свойства при весьма низких температурах, среднеуглеродистая сталь, весьма пластичная в обычных условиях, становится хрупкой при растяжении лишь при температуре жидкого водорода. При динамическом деформировании, предел текучести оказывается выше, чем при статическом, поэтому критическая температура хладноломкости, то есть температура перехода от вязкого разрушения к хрупкому, повышается. В опытах Давидеикова Н. Н. (1936 г.), который испытывал на ударное растяжение цилиндрические образцы из среднеуглеродистой стали, критическая температура получилась —95° для крупнозернистой структуры и — 160° для мелкозернистой. При сложном напряженном состоянии, например в месте концентрации напряжений, условия перехода от пластического разрушения к хрупкому будут другими и критическая температура, определенная в этих условиях, отличается от критической температуры, найденной путем испытания гладких образцов на растяжение. В настоящее время не существует теории, которая позволяла бы надежным образом производить расчеты на прочность в условиях низких температур с тем, чтобы предусматривать возможность хрупкого разрушения, однако надлежащий выбор, материалов и соблюдение некоторых конструктивных и технологических предосторожностей позволяют избежать хладноломкости.
Для нахождения критической температуры хладноломкости стремятся создать такие условия, при которых склонность к хрупкому разрушению проявляется наиболее сильно. Стандартным методом испытаний для этого в настоящее время является испытание на ударную вязкость. Термин «ударная вязкость» в данном случае не очень удачен, определяемая характеристика не имеет ничего общего с физической вязкостью. Образец для этого испытания изображен на рис. 271, сечение его квадратное, с одной стороны сделай надрез.
Образец располагается симметрично на двух опорах так, что на опорах лежит надрезанная сторона, по противоположной стороне, прямо против надреза, производится удар. Копер представляет собою маятник, падающий с известной высоты. Отмечается та высота, с которой упал маятник, а также та высота, которую достигнет его центр тяжести после того, как образец разрушен. Разность этих высот, умноженная на вес маятника, представляет собою затраченную на разрушение работу. Ударной вязкостью и называется работа разрушения, отнесенная к площади сечения образца в месте надреза. Этой величине трудно приписать какое-то определенное физическое значение, это есть некоторая условная характеристика, которая, как оказывается, чрезвычайно чувствительна к способности материала к хрупкому разрушению. Пониженная величина ударной вязкости иногда обнаруживается у материалов, для которых обычные механические характеристики — временное сопротивление и удлинение при разрыве — не выходят за пределы нормы. Однако при сложном напряженном состоянии изделия из таких материалов иногда дают хрупкое разрушение. Поэтому испытание на ударную вязкость является обязательным, например, для поковок роторов турбин и турбогенераторов.
Величина ударной вязкости позволяет выявить склонность к хладноломкости раньше, чем другие методы. На рис. 272 приведена типичная кривая зависимости ударной вязкости от температуры (Е. М. Шевандин). Как видно, с понижением температуры ударная вязкость снижается, сначала постепенно, а потом внезапно, скачком, достигая чрезвычайно низкой величины. Соответствующая температура называется критической температурой хладноломкости. Описанный метод оценки склонности стали к хладноломкости был детально разработан Н. Н. Давиденковым, Ф. Ф. Витманом и другими. Условия, в которых разрушается образец при испытании на ударную вязкость, являются настолько тяжелыми, что для реальных металлических конструкций при температурах, превышающих критическую, опасность хрупкого разрушения не возникает.
Установлено, что содержание фосфора, серы, кислорода, азота и некоторых других примесей чрезвычайно неблагоприятно влияет на прочность стали при низких температурах. Для крупнозернистой стали критическая температура хладноломкости оказывается выше, чем для мелкозернистой, поэтому отжиг оказывает неблагоприятное действие. Нормализация или закалка с высоким отпуском повышает хладностойкость. В конструкциях, предназначенных для службы при низких температурах, следует избегать концентраторов напряжений, а также принимать меры к устранению остаточных напряжений, которые появляются, например, в результате сварки.
При низких температурах, когда интенсивность тепловых движений оказывается ослабленной, должны, конечно, наблюдаться существенные изменения свойств вещества. Однако при рассмотрении этих изменений нужно прежде всего установить, какие именно температуры должны считаться низкими. Нетрудно видеть, что по отношению к разным веществам и для различных свойств этих веществ «низкими» должны считаться совершенно различные температуры. Так, например, если речь идет о свойствах жидкостей, то ясно, что для них не имеет смысла говорить о температурах более низких, чем температура их отвердевания (об исключительном случае жидкого гелия см. ниже). Для воды, например, комнатная температура может считаться весьма низкой, так как отношение ее к Тотв мало отличается от единицы.
Нет возможности описать здесь сколько-нибудь подробно все особенности поведения веществ при низких температурах. Поэтому ограничимся лишь некоторыми общими замечаниями о низкотемпературных явлениях и о свойствах различных классов веществ в этих условиях.
При самых низких температурах тех, которые получаются с помощью жидкого гелия («гелиевые» температуры) и тем более магнитным способом, — тепловые движения оказываются настолько ослабленными, что они во многих случаях не играют большой роли. Благодаря этому как бы вскрываются те сложные взаимодействия между атомами и молекулами, которые обусловлены их строением и которые при более высоких температурах полностью или частично маскируются влиянием тепловых движений. А так как атомы и молекулы состоят из частиц, подчиняющихся законам кванторой механики/то при температурах, близких к абсолютному нулю, квантовые эффекты становятся весьма заметными, а некоторые явления имеют чисто квантовый характер. С одним из таких явлений мы познакомимся в конце этой главы.
Газы при низких температурах. При обычных температурах и давлениях газы с большой точностью могут считаться идеальными. Это значит, что молекулы газа ведут себя так, как будто они совершенно не взаимодействуют между собой, и поэтому каждой молекуле приписывается только кинетическая энергия тепловых движений.
В действительности, однако, взаимодействие между частицами всегда существует и молекулы газа на самом деле обладают не только кинетической, но. и потенциальной энергией, обусловленной силами взаимодействия и зависящей от их взаимных расстояний. Но при высоких температурах, когда кинетическая энергия молекул велика, потенциальной энергией можно по сравнению с ней пренебречь и считать газ идеальным. При низкой же температуре относительная роль потенциальной энергии возрастает, что и вызывает отклонения свойств газов от идеальности.
Закон соответственных состояний (§ 70), основанный на приведенном уравнении Ван-дер-Ваальса
позволяет сразу определить, является ли данная температура высокой или низкой для того или иного вещества. Низкими, очевидно, должны считаться температуры, при которых близко к единице или меньше единицы.
Так, например, для паров воды комнатная температура это очень низкая температура, потому что
Ее можно считать низкой и для ксенона :
Но для кислорода комнатная температура должна уже считаться высокой, так как 8 значительно больше единицы:
Сложность сил взаимодействия между молекулами газа - приводит к тому, что при низких температурах уравнение Ван-дер-Ваальса оказывается недостаточно точным. Как было указано в гл. V, при температурах вблизи и ниже критической лучше всего согласуется с опытом уравнение состояния в виде ряда (для 1 моля)
в котором силы взаимодействия находят свое отражение в зависящих от температуры вириальных коэффициентах
Первый член ряда соответствует отсутствию сил взаимодействия: если ограничиться этим членом, то, как видно из уравнения
(117.1), мы получим уравнение состояния идеального газа. Второй вириальный коэффициент В отражает такие взаимодействия, в которых участвуют две сближающиеся молекулы (парное взаимодействие), третий учитывает взаимодействия, связанные с одновременным сближением трех частиц, и т. д.
Если давление газа не слишком велико, то играет роль только второй член ряда, т. е. второй вириальный коэффициент, так как вероятность встречи (столкновения) трех частиц (тем более четырех и больше) может стать заметной только при больших плотностях газа. Точное вычисление второго вириального коэффициента может быть произведено только с учетом строения атомов и квантовых законов.
Как упоминалось в гл. V, при определенных приближениях уравнение (117.1) переходит в уравнение Ван-дер-Ваальса.
При самых низких температурах только два вещества — водород и гелий — могут находиться в газообразном состоянии с заметным давлением. Все прочие газы при значительно более высоких температурах твердеют, а упругости их паров становятся ничтожно малыми. Но в обоих «низкотемпературных» газах обнаруживаются заметные квантовые эффекты. Строго говоря, низкие критические температуры водорода и гелия сами по себе являются квантовыми эффектами.
Жидкости при низких температурах. Область существования жидкого состояния ограничена критической точкой со стороны высоких и точкой отвердевания со стороны низких температур (последняя зависит от давления — см. гл. IX). Изменения свойств жидкостей при переходе к низким температурам (близким к точке отвердевания) сводятся к росту коэффициента поверхностного натяжения и к сильному увеличению коэффициента внутреннего трения. У некоторых веществ рост вязкости приводит даже к тому, что жидкость приобретает некоторые признаки твердого тела и прежде всего способность сохранять не только объем, но и форму.
Как уже упоминалось, при самых низких температурах наблюдаются некоторые специфические квантовые явления, которые нельзя считать результатом постепенного изменения свойств вещества с понижением температуры. Явления эти возникают скачком при вполне определенной температуре и не имеют аналогов при высоких температурах. Мы имеем в виду явления сверхпроводимости и сверхтекучести. Первое из них заключается в скачкообразном исчезновении электрического сопротивления в металлах и наблюдается у довольно большого числа чистых металлов и сплавов. Второе относится к одному-единственному в природе веществу — жидкому гелию.
В следующем параграфе мы расскажем об этом необычном свойстве жидкого гелия и о связанных с ним явлениях.
Механические свойства материалов при криогенных температурах
Работоспособность криогенного оборудования в значительной степени определяется механическими свойствами конструкционных материалов. При криогенных температурах происходят изменения механических свойств конструкционных материалов — металлов и пластмасс: повышаются предел текучести и предел прочности, одновременно уменьшаются пластичность и ударная вязкость.
Главным количественным показателем пригодности материала для работы в условиях низких температур является величина ударной вязкости, которая зависит от химического состава, режима термообработки и других факторов. Явление охрупчивания, т. е. резкого уменьшения ударной вязкости, делает невозможным применение при низких температурах обычных углеродистых сталей.
Помимо высокой прочности при криогенных температурах, материал должен иметь достаточный запас пластичности во избежание разрушения при многократных циклах охлаждения и отогрева в сочетании с силовым нагружением. Количественным показателем пластичности является относительное удлинение (образца) материала. Этот показатель определяет технологические свойства материала и его способность перераспределять напряжения в зоне их концентраторов.
Материал должен также обладать стабильностью свойств в процессе эксплуатации, не зависящих от температуры и уровня напряжения. Учитывая широкое применение вакуумированных типов изоляции, к металлам и сварным соединениям предъявляются требования вакуумной плотности или герметичности.
Металлы и материалы для изготовления тепловых мостов должны сочетать высокую прочность с низкой теплопроводностью. В конструкциях, подвергающихся периодическим отогревам, общая теплоемкость должна быть минимальной.
Для многих материалов существует определенное значение напряжения, при котором деформация материала при испытании на растяжение начинает быстро увеличиваться с увеличением напряжения. Это значение напряжения называется пределом текучести материала. Пластическая деформация, или текучесть, происходит в результате массового движения дислокаций в материале.
По мере понижения температуры атомы материала вибрируют слабее. Благодаря пониженному тепловому перемещению атомов требуется создать большее напряжение для того, чтобы вырвать эти дислокации из окружения добавляемых атомов. Исходя из этого, предел текучести для сплавов будет возрастать с понижением температуры.
При понижении температуры сопротивление пластической деформации (предел текучести, твердость) возрастает. Характер пластической деформации определяется сдвигом одной атомной плоскости кристаллической решетки металла относительно другой. Определяющую роль в этом случае играют дислокации. Процесс деформации твердого тела сопровождается перемещением дислокаций,
при их отсутствии необходимы значительные силы для сдвига атомных плоскостей.
Пределом прочности материала при растяженииназывают максимальное напряжение, достигаемое при испытании.
Прочностные свойства металлических материалов в значительной степени зависят от типа кристаллической решетки, наличия примесей и дефектов.
Воздействие низкой температуры на материал увеличивает его прочность.
Понижение температуры особенно сильно влияет на пластические свойства: ударную вязкость, относительное удлинение, сжатие. Для многих материалов понижение температуры приводит к уменьшению пластичности, возникает тенденция к хрупкому разрушению (хладноломкость). Испытания на сопротивление материала ударной нагрузке показывают поглощаемую материалом энергию при разрушении в результате внезапного приложения силы. В некоторых материалах, таких, как углеродистая сталь, при температурах в интервале от комнатной до 78 К происходит пластично-хрупкий переход, что приводит к существенному снижению ударной вязкости при низких температурах.
Пластичность материалов обычно выражается процентами удлинения до разрушения или сокращением площади поперечного сечения образца при испытании на растяжение.
Для материалов, у которых отсутствует пластично-хрупкий переход при низких температурах, пластичность обычно несколько возрастает с понижением температуры. Для углеродистых сталей, которые имеют низкотемпературный переход, удлинение при разрушении падает.
Твердостьметаллов измеряется размером углубления, оставляемого на поверхности материала стандартным индентором. Твердость металлов прямо пропорциональна пределу прочности материала, поэтому твердость повышается с понижением температуры.
С понижением температуры межатомные и межмолекулярные силы возрастают вследствие понижения отрицательного влияния атомных и молекулярных колебаний. Поскольку упругая реакция обусловлена действием этих межмолекулярных и межатомных сил, следует ожидать повышения модуля упругости по мере понижения температуры.
Напряжение, при котором происходит разрушение после заданного числа циклов, называют пределом усталости.Некоторые материалы, такие, как углеродистые стали и алюминиево-магниевые сплавы, обладают таким свойством, что предел усталости не наступает, если напряжение поддерживается ниже определенного уровня, называемого пределом длительной усталости,при каком угодно большом числе циклов. Усталостное разрушение для случая, включающего более чем 10 3 циклов, обычно происходит в три стадии: появление микротрещины, медленный рост трещины до достижения критического размера трещины и быстрое разрушение в результате пластичного разрыва или раскалывания. С понижением температуры материала требуется большее напряжение для увеличения трещины, поэтому с понижением температуры будет наблюдаться увеличение предела усталости.
Пластмассы обладают низкой теплопроводностью и малой плотностью Они эластичны и обладают антифрикционными свойствами. Полимерные материалы состоят из молекул с длинными цепями, прочность и пластичность их достаточно высоки. Фторопласт, поликарбонаты имеют малую прочность, но высокую эластичность (их применяют в качестве уплотнителей вплоть до 4 К).
Прочность композиционных материалов с полимерной матрицей выше прочности неармированных пластмасс. Текстолит и гетинакс - высокопрочные композиционные материалы, поэтому их применяют как теплоизолирующие прокладки, пары трения и т.д. Стеклопластики, имеющие прочность, близкую к стали, но низкую теплопроводность, применяются в качестве элементов опор и арматуры, где важны малые теплопритоки и высокая прочность.
В таблице 7 представлены основные механические свойства конструкционных материалов
Механические свойства конструкционных материалов
| Материал | Предел прочности, МПа | Предел текучести, МПа | Ударная вязкость, кДж/м 3 |
| 12Х18Н10Т | 1400…1700 | 440…450 | 1600…2000 |
| АМг-6 | |||
| ВТ-1 | |||
| М-3 | |||
| Кварцевое стекло | 70…120 | - | - |
| Фторопласт, Ф-4 | - | - | |
| Стекловолокнит, АГ-4 | - | ||
| Стеклотекстолит | - |
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
© cyberpedia.su 2017-2020 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!
Читайте также: