ЛІТОБЗОР
З 104 елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва 82 елемента є металами. Усі метали є кристалічними тілами, в яких атоми розташовані закономірно і періодично.
Метали представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості дрібних різному орієнтованих по відношенню один до одного кристалів. Внаслідок умов кристалізації, кристали мають неправильну форму називаються кристалами або зернами металу.
Метали у твердому стані і частково в рідкому стані мають високо тепло - і електропровідністю, а також позитивним температурним коефіцієнтом електроопору. Велика кількість металів має надпровідністю, термоелектронної емісією хорошою відбивною здатністю. Найбільш характерні властивості металів пояснюються наявністю в них легко рухливих електронів провідності. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і рухаються навколо нього негативно заряджених електронів. Атом у стаціонарному стані нейтральний. Число електронів в атомі одно позитивному заряду ядра і відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі елементів.
Атоми металів містять на зовнішньому енергетичному рівні невелике число електронів. Зв'язок електрона з атомом визначається роботою виходу електрона, тобто роботою, необхідною для видалення з ізольованого атома зовнішнього електрона.
Стійкість металу, що представляє собою іона - електронну грати, визначається електричним притяганням між позитивно зарядженими іонами і узагальненими електронами. Така взаємодія має назву металевого зв'язку. Сила зв'язку в металах визначається силами відштовхування і силами тяжіння між іонами і електронами, які не мають різко вираженого спрямованого характеру. Атоми (іони) прагнуть розташуватися на такій відстані один від одного, щоб енергія взаємодії була мінімальною.
Під структурою розуміють будову металу. Структуру металу ділять на макроструктуру і мікроструктуру. Макроструктура - це будова металу видиме неозброєним оком або при не великому збільшенні. Макро структуру можна досліджувати за методикою зламу і на спеціальних макрошліфах. Вивчення зламу - це методика для визначення переднього фронту в'язкої тріщини. На відміну від аморфного тіла, кристалічне тіло має зернистий злам. За зламу визначають про розмір зерна, особливостям виплавки і лиття (температура лиття, швидкість і рівномірність охолоджування), термічної обробки, а, отже, властивості металу. Грубозернистий злам відповідає більш низьким механічними властивостями, ніж дрібнозернистий. Вид зламу використовують як критерій при визначенні схильності сталі до крихкого руйнування, для визначення тріщин. При вивченні макроструктури на спеціальних макрошлефах зразки вирізують з великих заготовок або виробів, поверхня яких шліфують, полірують, а потім піддають травленню спеціальними реактивами. Дія реактивів засноване на їхній здатності офарблювати і розчиняти різні складові сплавів, також виявляти мікро порожнечі, тріщини по вимірах мезогеометріі зламу.
При дослідженні макрошлефа можна визначити розташування зерен у литому металі; дефекти, які порушують помилку металу, а це усадочна рихлість газові міхури, тріщини.
Мікроструктура показує взаємне розташування фаз, їх форму та розміри. Для визначення мікроструктури з досліджуваного металу виготовляють мікро шліф, тобто не великий зразок, одну з площин якого ретельно шліфують, полірують і піддають травленню спеціальними реактивами. Мікроструктуру металів спостерігають в оптичному металографічного мікроскопа, в якому досліджуваний об'єкт розглядається у відбитому світлі в даний час застосовується прямий метод дослідження тріщин на просвіт. У цьому випадку досліджують тріщини, їх зразки, приготовлені з масивних зразків і прозорих для електронів. Для вивчення металів застосовують електронний мікроскоп. Використання електронних променів, що володіють дуже малою довжиною хвилі, дає можливість розрізняти деталі дуже малих розмірів.
Виявлення мікроструктури при травленні засноване на тому, що різні фази протравлюються, не однаково і тому фарбуються по-різному.
Електронний мікроскоп, що дає на один - два порядки більшу роздільну здатність, ніж оптичний дозволяє вивчити тонку структуру металу. Один з методів електронної мікроскопії це є спостереження діффектов кристалічної структури. Розрізняють непрямі і прямі методи дослідження структури. Непрямі методи засновані на спеціальній техніці приготування тонких зліпків - плівок (реплік), що відображають рельєф труєного шліфа. Досліджуючи отриману репліку, можна спостерігати деталі структури, мінімальний розмір яких дорівнює 2 -5 нм.
Прямі методи дозволяють досліджувати тонкі металеві фольги товщиною до 300 нм. Цей метод дає можливість спостерігати різні не досконалості кристалик будови: дислокації, дефекти скупчення.
А електронному мікроскопі вивчається не сам метал, а лаковий або кварцовий зліпок, отриманий з поверхні протравленого шліфа і відтворює деталі його рельєфу. Електронна мікрофрактографія вивчає за допомогою електронного мікроскопа в'язкі тріщини, злами в сталі.
Мікроаналіз дозволяє встановити величину, форму і орієнтування зерен, окремі фази і структурні складові зміни внутрішньої будови металів.
Метал, який відчуває в роботі багаторазові змінні навантаження руйнується. Руйнування металу під дією повторних або знакозмінних напружень називають втомою металу, а його властивості чинити опір руйнуванню від втоми називають приделом витривалості. У результаті втомного руйнування виникає характерний злам, що складається з двох зон. Перша зона має гладку притерту поверхню, її називають зоною втоми, її утворення відбувається поступово. Найбільш слабкому ділянці утворюється тріщина. Друга зона біля тендітних металів має грубо кристалічний, а у вузьких волокнисту будову. В'язка тріщина виникає на поверхні в першій зоні. У цій зоні зосереджені максимальні напруги і руйнування відбуваються по поверхні дії найбільших розтягуючих напружень. Дослідження показали, що якщо метал витримує певне число циклів без руйнування, то він витримає таку ж напругу і при значно більшому числі навантажень. Прибудова витривалості визначають на обертовому зразку, з додатком згинального навантаження. Відчувають не менше шести зразків.
Багато деталей сучасних машин працюють в умовах високих температур. Підвищення температури впливає на механічні властивості, знижують модуль пружності, боковий вівтар міцності. Механічні властивості при високих температурах залежать від швидкості прикладання навантаження. При високих температурах і постійно діючої навантаження спостерігається наростання пластичної деформації при напругах, менших, ніж ті, які можуть викликати залишкову деформацію.
Пластична або достатня деформація - це деформація, яка залишається після припинення дії сил викликали її. При пластичної деформації в кристалічній решітці металу під дією напружень відбувається необоротне переміщення атомів. Після зняття напружень у тілі спостерігається залишкове зміна форми і розмірів зразка, при чому помилка тіла або зразка не порушується. При невеликій величині напружень атоми зміщуються не значно, після зняття напруг вони повертаються у вихідне положення. При збільшенні напруги спостерігається необоротне усунення атомів на параметр решітки, тобто відбувається пластична деформація. У результаті розвитку пластичної деформації може відбутися руйнування шляхом зсуву.
У кристалічній решітці зсув відбувається по площинах. Найбільш легкий зрушення по певним площинам та напрямами пояснюється тим, що при цьому величина переміщення атомів з одного стійкого рівноважного положення у вузлі решітки в інше таке ж становище буде мінімальною. Чим більше елементів зсуву в решітці, тим вище пластичність металу. За сучасними уявленнями пластична деформація відбувається під дією напружень в результаті переміщення дислокації.
Руйнування металу при високих температурах - це деформація і руйнування по межах зерен. Цей метод пояснює, що на межі зерен, що містять велику кількість дефектів (вакансій, дислокацій, тріщин), легко протікають дифузійні процеси. Коли напруга відсутня, дифузійні переміщення прикордонних атомів не мають спрямованого характеру. При наявності навіть не великих напруг пересування атомів на межах зерен сприяє повзучості металу і призводить до залишкової діфформаціі внаслідок переміщення одного зерна щодо іншого уздовж поверхні їх розділу. У результаті випробувань визначається найбільша напруга, при якому швидкість або деформація повзучості за певний час на перевищує задану. Один з методів для усунення тріщин - спеціальні установки, в яких зразок поміщається в електропіч і при постійній температурі піддається тривалому дії постійно сили, що розтягує. У процесі випробування фіксується деформація зразка.
До основних дефектів, які можуть виникнути при загартуванню стали відносяться тріщини - внутрішні чи зовнішні, деформації. Тріщини виникають при гарті в тих випадках, коли внутрішні розтягуючі напруження, що виникають в результаті мартенситного перетворення, перевищують опір, стали руйнування. Тріщини утворюються при низьких температурах. Схильність до утворення тріщин зростає із збільшенням стали змістом вуглецю, підвищенням температури загартування і збільшенням швидкості охолодження в температурному інтервалі мартенситного перетворення.
Іншою причиною утворення тріщин є наявність у виробі концентраторів напружень (різка зміна перерізу вироби або місцевий вирізки, поглиблення).
Тріщини - не поправний дефект. Для попередження їх утворення існує методика. При конструюванні виробів треба уникати різких виступів, загострених кутів, різких переходів від товстих перетинів до тонким. Загартування деталей повинна виробляється з більш низьких температур для деталей, прогартовуються повністю; а повільне охолодження в мартенситних інтервалі температур досягається ступінчастою загартуванням. Повинна проводиться ізотермічна гарт відразу ж після гартування деталей.
При досить високих напругах процес деформації закінчується руйнуванням. Руйнування складається з двох стадій: загородження тріщини та її поширення через все перерізу зразка (вироби).
Виникнення мікро тріщини найчастіше відбувається завдяки скупченню рухомих дислокацій перед перешкодою (межі суп зерен, зерен всілякі включення), що призводить концентрації напружень достатніх для утворення мікро тріщини.
У результаті взаємодії дислокацій кристалічної решітки можливі утворення тріщини. Руйнування може бути крихким і в'язким. В'язке руйнування, в'язка тріщина відбувається зі значною пластичною деформацією. В'язке руйнування обумовлено малою швидкістю поширення тріщини. Швидкість поширення крихкої тріщини велика, близька до швидкості звуку. Тому не рідко крихке руйнування називаю «раптовим» або «катастрофічним» руйнуванням. Грузлому руйнування відповідає велика робота поширення тріщини.
По виду мікроструктури руйнування зустрічаються транскрісталлітние і інтеркрісталлітние. При траскрісталлітном руйнуванні тріщини поширюються по тілу зерна, а при інтеркрісталлітном вона проходь по межах зерна. При поширенні тріщини по тілу зерна відбувається в'язке руйнування. За зовнішнім виглядом зламу можна судити про характер руйнування. Волокнистий злам свідчить про в'язкому руйнуванні. В'язке руйнування характеризується «чашкові» руйнуванням в'язкої тріщини.
Крихке руйнування відбувається при напругах, що лежать в пружній області, без макропластіческой інформації. Осередком крихкого руйнування є мікро тріщини або ті ж дефекти, що виникають в процесі експлуатації. Тому надійність конструкції визначається в основному опором металу поширенню вже наявної небезпечної в'язкої тріщиною руйнування, а не її зародженням.
Явища, які відбуваються у гирла тріщини описуються за допомогою параметра К. Який являє собою коефіціет інтенсивності у вершині тріщини, або локальне підвищення розтягуючих напружень біля кінця тріщини: К = Y
Динамічні випробування на ударний вигин виявляють схильність металу до руйнування. Метод заснований на руйнуванні зразка з концентратором напруги по середині одним ударом маятникового копра. За шкалою копра повну роботу, витрачену при ударі.
Під ударною в'язкістю розуміють роботу удару, віднесену до початкової площі поперечного перерізу зразка разом концентратора напруги. Ударна в'язкість є інтегральною характеристикою, що містить роботу зародження тріщини і роботу розповсюдження в'язкої тріщини. Схильність до руйнування тріщини в першу чергу визначається роботою поширення тріщини. Чим більше робота розповсюдження в'язкої тріщини, тим менше можливість раптового крихкого руйнування. В даний час існує ряд методів роздільного визначення роботи зародження тріщини і роботи поширення в'язкої тріщини.
Багато металів, що мають кристалічні решітки в залежності від температури можуть руйнуватися в'язко. Зниження температури обумовлює перехід від в'язкого до крихкого руйнування. Це явище отримало назву хладноломкости.
Температура переходу металу від в'язкого руйнування до крихкому отримала назву критичної температури крихкості (поріг холодноламкості). Знаючи поріг холодноламкості і робочу температуру експлуатації матеріалу, можна оцінити його температурний запас в'язкості.
Запас в'язкості - це інтервал температур між порогом холодноламкості і робочою температурою. Чим більше температурний запас в'язкості, тим менше небезпека крихкого руйнування.
Поріг холодноламкості визначають при випробуванні ударним вигином надрізаних зразком для різних температур і будують криву в залежності ударної в'язкості від температури випробування. Крихкий і в'язкий характер руйнування при ударному вигині для сталі можна розрізнити за виглядом зламу. Поріг холодноламкості визначають за відсотком волокна матовою, волокнистої складової в зламі. За поріг холодноламкості приймається температура, при якій є 50% волокна. Поріг холодноламкості не є постійною матеріалу, а залежить від його структури, умов випробування наявності концентраторів напруги. Чим вище міцність номінального напруги, тим вище поріг хладноломкости.
Руйнування металу під дію повторний або знакозмінних напружень називають втомою металу. Тріщина найчастіше виникає на поверхні. Опір металу характеризується найбільшою напругою, що може витримати метал без руйнування за велику кількість циклів.
Для визначення прибудов витривалості відчувають не менше 10 зразків. Починаючи з першого зразка і до наступного, щоразу знижують або підвищують на 20 або 40 МПа залежно від числа циклів, що викликають руйнування першого зразка. Результати випробувань наносять на діаграму в залежності напруги від числа циклів і визначають, зламався зразок чи ні. Межа витривалості різко знижується при наявності концентраторів напрузі.
Зі збільшенням розміру зразка межа витривалості зменшується. Чим ретельніше оброблена поверхня зразка (деталі), тим вище приділ витривалості. Сильно знижує приділ витривалості Кароза.
З 104 елементів періодичної системи Д. І. Менделєєва 82 елемента є металами. Усі метали є кристалічними тілами, в яких атоми розташовані закономірно і періодично.
Метали представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості дрібних різному орієнтованих по відношенню один до одного кристалів. Внаслідок умов кристалізації, кристали мають неправильну форму називаються кристалами або зернами металу.
Метали у твердому стані і частково в рідкому стані мають високо тепло - і електропровідністю, а також позитивним температурним коефіцієнтом електроопору. Велика кількість металів має надпровідністю, термоелектронної емісією хорошою відбивною здатністю. Найбільш характерні властивості металів пояснюються наявністю в них легко рухливих електронів провідності. Атом складається з позитивно зарядженого ядра і рухаються навколо нього негативно заряджених електронів. Атом у стаціонарному стані нейтральний. Число електронів в атомі одно позитивному заряду ядра і відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі елементів.
Атоми металів містять на зовнішньому енергетичному рівні невелике число електронів. Зв'язок електрона з атомом визначається роботою виходу електрона, тобто роботою, необхідною для видалення з ізольованого атома зовнішнього електрона.
Стійкість металу, що представляє собою іона - електронну грати, визначається електричним притяганням між позитивно зарядженими іонами і узагальненими електронами. Така взаємодія має назву металевого зв'язку. Сила зв'язку в металах визначається силами відштовхування і силами тяжіння між іонами і електронами, які не мають різко вираженого спрямованого характеру. Атоми (іони) прагнуть розташуватися на такій відстані один від одного, щоб енергія взаємодії була мінімальною.
Під структурою розуміють будову металу. Структуру металу ділять на макроструктуру і мікроструктуру. Макроструктура - це будова металу видиме неозброєним оком або при не великому збільшенні. Макро структуру можна досліджувати за методикою зламу і на спеціальних макрошліфах. Вивчення зламу - це методика для визначення переднього фронту в'язкої тріщини. На відміну від аморфного тіла, кристалічне тіло має зернистий злам. За зламу визначають про розмір зерна, особливостям виплавки і лиття (температура лиття, швидкість і рівномірність охолоджування), термічної обробки, а, отже, властивості металу. Грубозернистий злам відповідає більш низьким механічними властивостями, ніж дрібнозернистий. Вид зламу використовують як критерій при визначенні схильності сталі до крихкого руйнування, для визначення тріщин. При вивченні макроструктури на спеціальних макрошлефах зразки вирізують з великих заготовок або виробів, поверхня яких шліфують, полірують, а потім піддають травленню спеціальними реактивами. Дія реактивів засноване на їхній здатності офарблювати і розчиняти різні складові сплавів, також виявляти мікро порожнечі, тріщини по вимірах мезогеометріі зламу.
При дослідженні макрошлефа можна визначити розташування зерен у литому металі; дефекти, які порушують помилку металу, а це усадочна рихлість газові міхури, тріщини.
Мікроструктура показує взаємне розташування фаз, їх форму та розміри. Для визначення мікроструктури з досліджуваного металу виготовляють мікро шліф, тобто не великий зразок, одну з площин якого ретельно шліфують, полірують і піддають травленню спеціальними реактивами. Мікроструктуру металів спостерігають в оптичному металографічного мікроскопа, в якому досліджуваний об'єкт розглядається у відбитому світлі в даний час застосовується прямий метод дослідження тріщин на просвіт. У цьому випадку досліджують тріщини, їх зразки, приготовлені з масивних зразків і прозорих для електронів. Для вивчення металів застосовують електронний мікроскоп. Використання електронних променів, що володіють дуже малою довжиною хвилі, дає можливість розрізняти деталі дуже малих розмірів.
Виявлення мікроструктури при травленні засноване на тому, що різні фази протравлюються, не однаково і тому фарбуються по-різному.
Електронний мікроскоп, що дає на один - два порядки більшу роздільну здатність, ніж оптичний дозволяє вивчити тонку структуру металу. Один з методів електронної мікроскопії це є спостереження діффектов кристалічної структури. Розрізняють непрямі і прямі методи дослідження структури. Непрямі методи засновані на спеціальній техніці приготування тонких зліпків - плівок (реплік), що відображають рельєф труєного шліфа. Досліджуючи отриману репліку, можна спостерігати деталі структури, мінімальний розмір яких дорівнює 2 -5 нм.
Прямі методи дозволяють досліджувати тонкі металеві фольги товщиною до 300 нм. Цей метод дає можливість спостерігати різні не досконалості кристалик будови: дислокації, дефекти скупчення.
А електронному мікроскопі вивчається не сам метал, а лаковий або кварцовий зліпок, отриманий з поверхні протравленого шліфа і відтворює деталі його рельєфу. Електронна мікрофрактографія вивчає за допомогою електронного мікроскопа в'язкі тріщини, злами в сталі.
Мікроаналіз дозволяє встановити величину, форму і орієнтування зерен, окремі фази і структурні складові зміни внутрішньої будови металів.
Метал, який відчуває в роботі багаторазові змінні навантаження руйнується. Руйнування металу під дією повторних або знакозмінних напружень називають втомою металу, а його властивості чинити опір руйнуванню від втоми називають приделом витривалості. У результаті втомного руйнування виникає характерний злам, що складається з двох зон. Перша зона має гладку притерту поверхню, її називають зоною втоми, її утворення відбувається поступово. Найбільш слабкому ділянці утворюється тріщина. Друга зона біля тендітних металів має грубо кристалічний, а у вузьких волокнисту будову. В'язка тріщина виникає на поверхні в першій зоні. У цій зоні зосереджені максимальні напруги і руйнування відбуваються по поверхні дії найбільших розтягуючих напружень. Дослідження показали, що якщо метал витримує певне число циклів без руйнування, то він витримає таку ж напругу і при значно більшому числі навантажень. Прибудова витривалості визначають на обертовому зразку, з додатком згинального навантаження. Відчувають не менше шести зразків.
Багато деталей сучасних машин працюють в умовах високих температур. Підвищення температури впливає на механічні властивості, знижують модуль пружності, боковий вівтар міцності. Механічні властивості при високих температурах залежать від швидкості прикладання навантаження. При високих температурах і постійно діючої навантаження спостерігається наростання пластичної деформації при напругах, менших, ніж ті, які можуть викликати залишкову деформацію.
Пластична або достатня деформація - це деформація, яка залишається після припинення дії сил викликали її. При пластичної деформації в кристалічній решітці металу під дією напружень відбувається необоротне переміщення атомів. Після зняття напружень у тілі спостерігається залишкове зміна форми і розмірів зразка, при чому помилка тіла або зразка не порушується. При невеликій величині напружень атоми зміщуються не значно, після зняття напруг вони повертаються у вихідне положення. При збільшенні напруги спостерігається необоротне усунення атомів на параметр решітки, тобто відбувається пластична деформація. У результаті розвитку пластичної деформації може відбутися руйнування шляхом зсуву.
У кристалічній решітці зсув відбувається по площинах. Найбільш легкий зрушення по певним площинам та напрямами пояснюється тим, що при цьому величина переміщення атомів з одного стійкого рівноважного положення у вузлі решітки в інше таке ж становище буде мінімальною. Чим більше елементів зсуву в решітці, тим вище пластичність металу. За сучасними уявленнями пластична деформація відбувається під дією напружень в результаті переміщення дислокації.
Руйнування металу при високих температурах - це деформація і руйнування по межах зерен. Цей метод пояснює, що на межі зерен, що містять велику кількість дефектів (вакансій, дислокацій, тріщин), легко протікають дифузійні процеси. Коли напруга відсутня, дифузійні переміщення прикордонних атомів не мають спрямованого характеру. При наявності навіть не великих напруг пересування атомів на межах зерен сприяє повзучості металу і призводить до залишкової діфформаціі внаслідок переміщення одного зерна щодо іншого уздовж поверхні їх розділу. У результаті випробувань визначається найбільша напруга, при якому швидкість або деформація повзучості за певний час на перевищує задану. Один з методів для усунення тріщин - спеціальні установки, в яких зразок поміщається в електропіч і при постійній температурі піддається тривалому дії постійно сили, що розтягує. У процесі випробування фіксується деформація зразка.
До основних дефектів, які можуть виникнути при загартуванню стали відносяться тріщини - внутрішні чи зовнішні, деформації. Тріщини виникають при гарті в тих випадках, коли внутрішні розтягуючі напруження, що виникають в результаті мартенситного перетворення, перевищують опір, стали руйнування. Тріщини утворюються при низьких температурах. Схильність до утворення тріщин зростає із збільшенням стали змістом вуглецю, підвищенням температури загартування і збільшенням швидкості охолодження в температурному інтервалі мартенситного перетворення.
Іншою причиною утворення тріщин є наявність у виробі концентраторів напружень (різка зміна перерізу вироби або місцевий вирізки, поглиблення).
Тріщини - не поправний дефект. Для попередження їх утворення існує методика. При конструюванні виробів треба уникати різких виступів, загострених кутів, різких переходів від товстих перетинів до тонким. Загартування деталей повинна виробляється з більш низьких температур для деталей, прогартовуються повністю; а повільне охолодження в мартенситних інтервалі температур досягається ступінчастою загартуванням. Повинна проводиться ізотермічна гарт відразу ж після гартування деталей.
При досить високих напругах процес деформації закінчується руйнуванням. Руйнування складається з двох стадій: загородження тріщини та її поширення через все перерізу зразка (вироби).
Виникнення мікро тріщини найчастіше відбувається завдяки скупченню рухомих дислокацій перед перешкодою (межі суп зерен, зерен всілякі включення), що призводить концентрації напружень достатніх для утворення мікро тріщини.
У результаті взаємодії дислокацій кристалічної решітки можливі утворення тріщини. Руйнування може бути крихким і в'язким. В'язке руйнування, в'язка тріщина відбувається зі значною пластичною деформацією. В'язке руйнування обумовлено малою швидкістю поширення тріщини. Швидкість поширення крихкої тріщини велика, близька до швидкості звуку. Тому не рідко крихке руйнування називаю «раптовим» або «катастрофічним» руйнуванням. Грузлому руйнування відповідає велика робота поширення тріщини.
По виду мікроструктури руйнування зустрічаються транскрісталлітние і інтеркрісталлітние. При траскрісталлітном руйнуванні тріщини поширюються по тілу зерна, а при інтеркрісталлітном вона проходь по межах зерна. При поширенні тріщини по тілу зерна відбувається в'язке руйнування. За зовнішнім виглядом зламу можна судити про характер руйнування. Волокнистий злам свідчить про в'язкому руйнуванні. В'язке руйнування характеризується «чашкові» руйнуванням в'язкої тріщини.
Крихке руйнування відбувається при напругах, що лежать в пружній області, без макропластіческой інформації. Осередком крихкого руйнування є мікро тріщини або ті ж дефекти, що виникають в процесі експлуатації. Тому надійність конструкції визначається в основному опором металу поширенню вже наявної небезпечної в'язкої тріщиною руйнування, а не її зародженням.
Явища, які відбуваються у гирла тріщини описуються за допомогою параметра К. Який являє собою коефіціет інтенсивності у вершині тріщини, або локальне підвищення розтягуючих напружень біля кінця тріщини: К = Y
Динамічні випробування на ударний вигин виявляють схильність металу до руйнування. Метод заснований на руйнуванні зразка з концентратором напруги по середині одним ударом маятникового копра. За шкалою копра повну роботу, витрачену при ударі.
Під ударною в'язкістю розуміють роботу удару, віднесену до початкової площі поперечного перерізу зразка разом концентратора напруги. Ударна в'язкість є інтегральною характеристикою, що містить роботу зародження тріщини і роботу розповсюдження в'язкої тріщини. Схильність до руйнування тріщини в першу чергу визначається роботою поширення тріщини. Чим більше робота розповсюдження в'язкої тріщини, тим менше можливість раптового крихкого руйнування. В даний час існує ряд методів роздільного визначення роботи зародження тріщини і роботи поширення в'язкої тріщини.
Багато металів, що мають кристалічні решітки в залежності від температури можуть руйнуватися в'язко. Зниження температури обумовлює перехід від в'язкого до крихкого руйнування. Це явище отримало назву хладноломкости.
Температура переходу металу від в'язкого руйнування до крихкому отримала назву критичної температури крихкості (поріг холодноламкості). Знаючи поріг холодноламкості і робочу температуру експлуатації матеріалу, можна оцінити його температурний запас в'язкості.
Запас в'язкості - це інтервал температур між порогом холодноламкості і робочою температурою. Чим більше температурний запас в'язкості, тим менше небезпека крихкого руйнування.
Поріг холодноламкості визначають при випробуванні ударним вигином надрізаних зразком для різних температур і будують криву в залежності ударної в'язкості від температури випробування. Крихкий і в'язкий характер руйнування при ударному вигині для сталі можна розрізнити за виглядом зламу. Поріг холодноламкості визначають за відсотком волокна матовою, волокнистої складової в зламі. За поріг холодноламкості приймається температура, при якій є 50% волокна. Поріг холодноламкості не є постійною матеріалу, а залежить від його структури, умов випробування наявності концентраторів напруги. Чим вище міцність номінального напруги, тим вище поріг хладноломкости.
Руйнування металу під дію повторний або знакозмінних напружень називають втомою металу. Тріщина найчастіше виникає на поверхні. Опір металу характеризується найбільшою напругою, що може витримати метал без руйнування за велику кількість циклів.
Для визначення прибудов витривалості відчувають не менше 10 зразків. Починаючи з першого зразка і до наступного, щоразу знижують або підвищують на 20 або 40 МПа залежно від числа циклів, що викликають руйнування першого зразка. Результати випробувань наносять на діаграму в залежності напруги від числа циклів і визначають, зламався зразок чи ні. Межа витривалості різко знижується при наявності концентраторів напрузі.
Зі збільшенням розміру зразка межа витривалості зменшується. Чим ретельніше оброблена поверхня зразка (деталі), тим вище приділ витривалості. Сильно знижує приділ витривалості Кароза.
При вивченні механізму і кінетики руйнування аналіз зламу за допомогою фактографії дає можливість визначати характер руйнування (крихке, в'язке, внутрезеренное) і відносну швидкість процесу, а також зміна цих характеристик у міру розвитку тріщини.
При вивченні зламу можна виявити зони, де найбільш не сприятливо сочіталіть умови навантажування, що не можна виявити іншими методиками. А так само отримати відомості про те, як протікав процес руйнування. Тому в даний час для фактографії використовують електронні мікроскопи.
Для вивчення атомнокрісталліческой структури твердих тіл застосовують рентгенографічні методи дослідження. Рентгеноструктурний аналіз дозволяє визначати ступінь досконалості кристалів, величину мікро напружень, а так само дає можливість вивчати ті структурні зміни, які відбуваються при пластичній деформації і концентрації дефектів.
Освіта в'язкої тріщини пов'язане з реальним будовою металів - наявністю разлічноорентірованних зерен, мікропор, дислокацій та інших дефектів кристалічної решітки. У цих умовах при ракетної середній величині напружень, що не перевищує значення придела пружності, фактичні напруги в металі розподіляються не рівномірно.
Тріщини є сильними концентраторами напруг і з них утворюється мікротрещени, далі з'єднуються в загальну тріщину, поступово поширюється на розтин. Руйнування відбувається в результаті зростання напруги в рештою зоні перетину. В окремих перенапружених зернах відбувається пластична деформація.
Властивості стали визначаються розміром дійсного зерна. Захоплення його розмірів порівняно мало впливає на границю міцності, але різко знижує в'язкість і підвищує критичну температуру крихкості. Отже, перегріта сталь з великим зерном має знижені механічні властивості, особливо пластичність і в'язкість, тобто схильна до крихкого руйнування.
Різні способи магнітного аналізу використовують при дослідженні процесів, зв'язкових з переходом з парамагнітного стану в феромагнітне. Магнітний аналіз широко застосовують при вирішенні завдань, дослідженні впливу на структуру режимів термічної обробки деформації.
Метод внутрішнього тертя заснований на вивченні незворотних втрат енергії механічних коливань усередині твердого тіла. Використовуючи цей метод, можна здійснити розрахунки коефіцієнтів дифузії з високою точністю, в тому числі і при низьких температурах, де жоден інший метод не застосовують, визначати зміну твердих розчинів, отримувати інформацію визначення в'язкої тріщини за вимірюваннями мезогеометріі зламу.
Деформація викликається дією зовнішніх сил, прикладених до тіла, або різними фізико-мехніческімі процесами, що відбуваються в самому зразку (тілі).
Наявність у випробуваному зразку (виробі) механічних надрізів, тріщин, внутрішніх дефектом металу призводить до нерівномірного розподілу напружень, створюючи біля основи надрізу пікову концентрацію нормальних напружень. У зв'язку з цим такі джерела концентрації напружень називають концентраторами напружень. Пік напруг тим більше, чим менше радіус концентратора напруги і чим більше глибина надрізу. Т. до викликаються різними причинами, то розрізняють тимчасові напруги, зумовлені дією зовнішнього навантаження і зникають після її зняття. Внутрішнє залишкову напругу виникають і урівноважуючі в межах тіла без дії зовнішнього навантаження.
Внутрішнє залишкову напругу виходить у процесі швидкого нагрівання чи охолодження металу внаслідок неоднорідного розширення поверхневих і внутрішніх шарів. Ці напруги називають тепловими. Крім того, напруги з'являються в процесі кристалізації при неоднорідної деформації, при термічній обробці внаслідок неоднорідного протікання структурних перетворень за обсягом по зламу. Їх називають фазовими або структурними.
Об'ємні дефекти мають значну протяжність в усіх напрямках. Прикладами таких дефектів є усадочні, газові раковини, тріщини, що утворилися на різних етапах технологічного процесу виробництва металу. Для кристалів характерний механізм дифузії який пов'язаний з поняттям флуктуацій, тобто безладне відхилення випадкових величин в обидві сторони від їх випадкового значення. Наявність флуктуації обумовлено атомної структурою речовини і тепловим рухом частинок. Середня теплова енергія коливних атомів в залежності від температури становить 0,025-0,2 еВ. У кристалах спостерігаються вакансії, то є порожнечі. Джерелами вакансій є вільні поверхні кристала: межі зерен, тріщини і пори в всередині кристалу.
Переміщення чужорідних атомів визначає процес гетеродеффузіі. Коли чужорідні атоми переходять з одного вузла решітки переходять в інший, для цього потрібне видалення з вузла решітки атома основного металу, такий процес вимагає значної енергії.
При зустрічі вакансій може відбуватися їх скупчення, а так само переродження і інші види дефектів - в субмікроскопічні тріщини й лінійні дефекти (дислокації). Сток вакансій до існуючих тріщинах і порах призводить до збільшення розмірів тріщин. У цьому випадку має місце значне раз зміцнення металу, тобто точкові дефекти мають істотний вплив на міцність металів. Дислокації можуть утворитися при кристалізації. У результаті утворюється новий єдиний кристал з не повністю заповненої атомної площиною, яку називаю екстраплоскостью. Можуть спостерігатися перекручування в розташування атомів в кристалі, тому по розмірним ознаками край екстраплоскості створює лінійний дефект, який називається дислокація.
Існують методи вивчення кристалічної будови металів у масштабах зерен і їх комплексів. Розміри зерен у полікрісталіческіх тілах можуть коливатися в межах 0,0001-0,1 см. Тому в ряді випадків оцінку кристалічної будови можна дати на основі розгляду неозброєним оком або при малих збільшеннях. Макроанализ застосовується для встановлення великих дефектів будови металу, розташування волокон, викликаного відповідними технологічними процесами. Макро аналіз поверхні руйнування деталей дозволяє встановити причини викликали руйнування. Для вивчення мікроструктури (утворення тріщин, розташування зерен) застосовується мікро структурний аналіз, в якому використовуються електронні мікроскопи.
Зміна властивостей металу після пластичної деформації пов'язано зі зростанням дислокації, яка характеризується сумарною довжиною дислокації, що містяться в одному сантиметрі кубічного металу. Деформації супроводжується дробленням блоків в кристалах. Наклеп металу супроводжується зміною та інших фізичних властивостей, відбувається зменшення корозійної стійкості. В'язке руйнування, в результаті чого утворюється в'язка тріщина відбувається шляхом зсуву під дію дотичних напружень. Площина ковзання розташована під кутом 45 0 до напрямку головних нормальних напруг. Більшості реальних матеріалів притаманне як в'язке, так і крихке руйнування. Характерною ознакою в'язкого руйнування є енергоємність, тобто величина роботи руйнування, вид тріщини, поверхня зламу та швидкість поширення тріщини. При утворенні в'язкої тріщини витрачається велика робота. Для розвитку в'язкої тріщини необхідний безперервний зовнішній підведення енергії витрачається на пластичне деформування металу попереду зростаючої тріщини і подолання виникає при цьому зміцнення. При цьому робота, що витрачається на пластичну деформацію, значно перевищує роботу власного руйнування.
При в'язкому руйнуванні тріщина має великий кут розкриття (тупа тріщина), поверхня руйнування характеризується значним ступенем пластичної деформації. При низьких температурах межзеренного кордону зазвичай міцніше самих зерен, тому у більшості металів при низьких температурах руйнування має транс кристалічний характер і проходить по зернам, а не по межах між ними. При підвищених температурах межзеренного кордону звичайно слабкіше зерен. Тому руйнування при підвищених температурах має меж кристалічний характер.
Злам при в'язкому руйнуванні має волокнистий характер без металевого блиску, яке можна знайти з допомогу. Електронно-мікроскопічного дослідження. Швидкість поширення в'язкої тріщини значно нижче і визначається швидкістю наростання напруги, тому в разі в'язкого руйнування необхідно підвищувати міцність матеріалу. Рівень руйнують напружень визначається найбільш енергоємною фазою. Існує ряд моделей дислокаційного механізму зародження тріщини. Згідно загальної моделі Зінера, крайові дислокації рухаються по площині ковзання до перешкоди. Якщо при підході вони не можуть здолати цей «непрозорий» бар'єр, то утворюється нагромадження дислокацій, виникає концентрація напружень. При цьому в цій зоні напруга може перевищити прикладена напруга.
Коли напруги перевершать сили межа томної зв'язку матеріалу, виникає мікро тріщина. Наступною стадією руйнації є підростання зародкової мікро тріщини до тріщини критичного розміру, коли буде досягнута критичне співвідношення між діючим напругою і довгою тріщини. Зростанню тріщини сприяє взаємодія полів напругу у її вершини.
Таким чином, стадії зародження мікротріщини і її підростання до критичного розміру є наслідком руху дислокацій, тобто пластичною деформацією металу.
Дефекти типи тріщин є концентраторами напруг, які тим більше чим гостріше тріщина і більше її довжина. У випадку досить гострою і довгою тріщини напруга поблизу її вершини можуть досягати значень, що перевищують руйнівне напруження матеріалів навіть при порівняно малому доданому напрузі. Щоб передбачити поведінку тріщини необхідно провести метод напруженого стану поблизу вершини тріщини. При просуванні тріщини мають місце процеси: вивільнення пружної енергії, запасеної системою і витрата енергії на утворення нових поверхонь тріщини. Тендітна тонка пластина одиничної товщини знаходиться під дію зовнішніх сил, які створюють напругу. Поведінка тріщини в розтягуючої пластині залежить від того в яку сторону буде змінюватися загальна енергія пластини при малому перетворенні довжини тріщини. Якщо зі зростанням тріщини енергія пластини буде зменшуватися, то тріщина буде рости без зовнішнього додаткового впливу, тобто мимоволі. Зростання тріщини пов'язаний з пластичною деформацією що йде попереду вершини тріщини. При плоскій деформації зона пластичної деформації значно менше, ніж у випадку плоского напруженого стану.
В'язка тріщина визначається відносним розвитком нормально і похило ділянок руйнування. У досить товстих зразків з високо розвиненою поверхню нормально руйнування в'язкість руйнування наближається до граничного значення в умовах плоскої деформації. Знання в'язкості руйнування дозволяє визначати максимально допустимі напруги конструкції при наявності тріщин певної довжини.
Статичні, динамічні та циклічні випробування опору розвитку в'язкої тріщини зводяться до наступного в зразках певної форми і розміру наводиться штучна тріщина. Потім проводять навантаження зразка з одночасним записом навантаження і зміщення берегів тріщини. Є види зразків для визначення в'язкості руйнування при навантаженні: циліндричний зразок з кільцевим надрізом і тріщиною для випробувань на осьовий розтяг і вигин; плоский зразок з центрально наскрізний тріщиною на осьовий розтяг, плоский зразок з боковим одностороннім надрізом і тріщиною для випробувань на розтягання плоский зразок з боковим надрізом і тріщиною для випробувань на зосереджений вигин. Форму і розміри зразків для визначення характеристик в'язкості руйнування вибирають з урахуванням мети випробування і призначення. Вчасно досвіду здійснюється автоматична запис даних про навантаження на зразок і зростанні тріщини. Після того як зразок тріщини підготовлений, він встановлюється у випробувальній машині і проводиться його безперервне навантаження з одночасним записом діаграми навантаження. Зразки повинні мати товщину, що забезпечує руйнування в умовах плоскої деформації. Основним недоліком випробувань на в'язкість руйнування в умовах плоскої деформації є необхідність використання великих зразків при дослідженні матеріалів середньої і низької міцності.
В'язкість руйнування тісно пов'язана з показниками міцності матеріалу збільшення міцності супроводжується зниженням пластичності і в'язкості руйнування. Це пояснюється тим, що у високоміцних матеріалів мала енергія, що поглинається при руйнуванні рівень якої визначається величиною пластичної деформації біля вершини тріщини. Для високоміцних матеріалів ефект збільшення міцності істотно перекривається зниженням пластичності, в результаті чого в'язкість руйнування зменшується. Матеріали середньої і низької міцності при кімнатній температурі зазвичай мають більш високі значення, ніж високоміцні з пониженням температури міцність зростає і за певних умов поводження матеріалу середньої і низької міцності стає таким же, як у високоміцного матеріалу при кімнатній температурі. При низьких температурах випробування в'язкості руйнування можна проводити на зразках менших розмірів.
Розмір зерна полі кристалічних матеріалів є одним з основних параметрів мікроструктури. Зменшення розмірів зерен дозволяє збільшити міцність і в'язкість металу, тому при подрібненні зерна зростає в'язкість руйнування. Використання такого методу як контроль процесу виплавки і особливо розкислення сталі, зниження температури кінця прокатки, термоциклічної і термомеханічна обробка, які сприяють подрібненню зерна, дозволяє одночасно підвищити в'язкість руйнування.
Вплив лідируючих елементів на в'язкість руйнування, перш за все, обумовлено їх впливом на величину зерна. Елементи, які сприяють подрібненню зерна, підвищують в'язкість руйнування, а елементи, зміцнюючі тверді розчини навпаки знижують в'язкість руйнування. Знання параметрів в'язкості руйнування дозволяють забезпечити надійність конструкції, це важливо в тих випадках, коли застосовуються висопрочние матеріали в нових проектах, які не мають аналогів у минулому, а безпека виробів повинна бути, безперечно, забезпечена.
Оцінку для визначення переднього фронту в'язкої тріщини можна знайти за видом зламу зруйновано зразка. Метод заснований на визначенні співвідношення площ в'язких і крихких ділянок зламу ударних зразків. В'язкий злам має характерну будову з попелястим відтінком. Зі зниженням температури кількість волокнистої складової в зламі снижется, з'являються блискучі ділянки. Зазвичай за критичну температуру приймають таку, при якій частка волокнистої структури рівні 50%.
У більшості випадків треба визначати не тільки загальну роботу руйнування при ударному вигині, а й її складові, а саме роботу за народження і роботу розвитку тріщини. Робота зародження переднього фронту в'язкої тріщини залежить від радіуса надрізу. Чим гостріше надріз, тим менша робота потрібна для зародження тріщини. Робота розвитку тріщини мало залежить від мезогеометріі надрізу і краще характеризує схильність металу до крихкого руйнування. Для її визначення зазвичай використовують зразки заздалегідь ініційованої тріщини. При випробуванні пластичних матеріалів робота руйнування зразка з тріщиною перевищує справжню роботу розвитку в'язкої тріщини на величину роботи пластичної деформації, що витрачається на згинальну та поперечну макродеформацій.
Метод визначення - ударної в'язкості заснований на лінійній залежності ударної в'язкості від радіуса надрізу.
Один і той же матеріал під дією різних прикладених навантажень може давати крихкий або в'язкий злам. Злам називають в'язким в тому випадку якщо до руйнування матеріал мав значну пластичність. Визначення переднього фронту в'язкої тріщини полягає у випробуванні на ударну в'язкість. Це один з методів який полягає в наступному: випробування на вигин, випробування зразка має надріз і випробування дією ударного навантаження. Випробування на в'язкість, в'язкої тріщини дозволяють вивчати процеси старіння, контролювати правильність термообробки і відчувати зварні з'єднання. Перевага цього методу полягає у швидкості, малій витраті матеріалу.
Розподілу навантаження в ізотропному тілі може бути описано шістьма компонентами за умови використання мезогеометріі. У координатних площинах діють нормальні компоненти напруги і тангенціальні компоненти напруги. За допомогою цих головних напружень можуть бути розраховані зсувні зусилля, що діють в інших площинах. Сума головних напруг може бути дорівнює 0, в цьому випадку систему називають деформаційної. Дія нормальних напружень викликає пружне спотворення атомної решітки.
На відміну від нормальних напружень здвіговие напруги можуть викликати пластичну деформацію, обумовлену зрушенням атомних шарів. При гідростатичному напруженому стані зсувні зусилля відсутні. Це значить, що аж до настання крихкого зламу матеріал не деформується. При наявності деформаційної системи настане момент, що руйнування відбудеться після помітною пластичної деформації. Такий метод розподілу напружень по трьом координатних осях може бути застосований до визначенням в'язкої тріщини за вимірюваннями мезогеометріі зламу. У результаті цього виникає місцеве розтяг матеріалу, надріз виконує звуження перерізу, надріз усуває появи зсувних напружень.
Найважливіший параметр - величина ударної в'язкості. Найчастіше застосовують методику, за якою визначають відношення площі кристалічного плями на поверхні зламу до загальної величини перерізу зразка до руйнування на ділянках, які мають кристалічну поверхню злам носить крихкий характер. Для отримання більш точних результатів дану поверхню зламу проектують у збільшеному вигляді на матове скло.
Інший важливий параметр - кут, який утворюють після випробувань обидві половини зразка з центральною віссю проходила через зразок до випробувань.
Обидва ці методу тобто визначення величини кристалічного плями і кута вигину металу, мають перед методом визначення роботи при руйнуванні металу ту перевагу, що знайдені значення завжди можуть бути перевірені, якщо зберегти випробуваний зразок. Швидкість, в якій вантаж вдаряє по даному зразку, становить 5-7 метрів за секунду. Робота, витрачена на руйнування зразка може бути знайдена порівняно просто, експериментальне ж визначення сили удару і деформація зразка, тобто знаходження складових інтегралів роботи пов'язане з великими труднощами.
Сила, яка виробляє роботу, може дати випробування на ударну в'язкість. Тріщини починають з'являтися у зразку частіше ще до досягнення максимуму. Тріщина при цьому збільшується, у той час як вигин зразка не змінюється.
Ударна в'язкість стали зменшується при збільшенні вмісту вуглецю, сірки, фосфору й азоту. Погіршення ударної в'язкості спостерігається: ділянка крутого спаду температурної кривої залежності, ударної в'язкості зміщується в бік більш високих температур. Ударну в'язкість часто вимірюють для контролю правильності термообробки.
Зі збільшенням дрібнозернистості структури зростає ударна в'язкість, і ділянка різкого спаду зміщується в бік більш низьких температур. Контроль ударної в'язкості - єдиний метод виявлення гартівних крихкості. Гартівних крихкістю володіє така сталь, яка при повільному охолодженні володіє меншою в'язкістю.
Мікроаналіз застосовується для визначення форми і розмірів кристалічних зерен, атак само для виявлення мікро тріщин. Для виявлення мікроструктур проводиться травлення. Для травлення полірованої поверхні зразків найбільш часто застосовуються розчини кислот лугів і солей. Травлення виробляється або зануренням зразка в травитель, або нанесенням тавітеля на поліровану поверхню зразка. Після травлення мікро шліф промивається і висушується, для виявлення структури високо лісірованних спеціальних сталей застосовують електролітичне травлення. Виявлення структури може бути так само вироблено нагріванням полірованого зразка. Цей спосіб заснований на тому, що при нагріві його структурні складові окислюються не однаково швидко і окислюються в різні кольори.
Після травлення мікро шліф встановлюється мікроскоп, і мікроструктура розглядається у відбитому світлі. При розгляді на металографічного мікроскопа видно структуру металу, тому що окремі структурні складові труяться по-різному, одні дужче інші слабше. При висвітленні протравленого мікро шліфа промені світла будуть по-різному відбиватися від різному про трави структурних складових, одні слабше інші сильніше, тому одні будуть світліше інші темніше. Таким чином, на різниці в стані поверхні і кількості відбитих променів і заснована виявлення мікро тріщин металу.
Високоміцні і середньо міцні матеріали характеризуються низькими значеннями в'язкості руйнування. В'язкість більшості матеріалів працюють при низьких температурах досить висока, що утрудняє при розрахунку використання методів механіки руйнування. Величина коефіцієнтів запасу не має достатньо теоретичного обгрунтування і в значній мірі обумовлено сформованими традиціями розрахунку. Пластичність характеризує здатність металу піддаватися залишкової деформації, а в'язкість - здатність поглинати роботу зовнішніх сил при руйнуванні.
Конструкційні стали окрім високих механічних властивостей повинні мати високу міцність. До властивостей, що визначають надійність матеріалу проти раптових руйнувань відносяться: міцність, довговічність. Конструкційна сталь повинна мати гарні технологічними властивостями - легко оброблятися тиском мати малу схильність до деформації і трещенообразованію при загартуванню.
Конструкційні сталі поставляють у вигляді заготовок і сортовий гарячекатані, каліброваного і шліфованої сталі, у вигляді листів смуг фасованих профілів. Для отримання більш чистої по домішках стали її рафінують рідким синтетичним шлаком в ковші, застосовують так само еллектрошлаковий переплав. У деяких випадках проводять вакумнодуговой і виплавку вакуумних індукційних печах. Застосування рафінування знижує забрудненість сталі. Дані методи виплавки підвищують ударну в'язкість і тріщиностійкість, сто пояснюється підвищенням чистоти сталі. Поріг холодноламкості в результаті рафінування в стали змінюється мало, знижується анізотропія властивостей пластичності і в'язкості.
При вивченні зламу можна виявити зони, де найбільш не сприятливо сочіталіть умови навантажування, що не можна виявити іншими методиками. А так само отримати відомості про те, як протікав процес руйнування. Тому в даний час для фактографії використовують електронні мікроскопи.
Для вивчення атомнокрісталліческой структури твердих тіл застосовують рентгенографічні методи дослідження. Рентгеноструктурний аналіз дозволяє визначати ступінь досконалості кристалів, величину мікро напружень, а так само дає можливість вивчати ті структурні зміни, які відбуваються при пластичній деформації і концентрації дефектів.
Освіта в'язкої тріщини пов'язане з реальним будовою металів - наявністю разлічноорентірованних зерен, мікропор, дислокацій та інших дефектів кристалічної решітки. У цих умовах при ракетної середній величині напружень, що не перевищує значення придела пружності, фактичні напруги в металі розподіляються не рівномірно.
Тріщини є сильними концентраторами напруг і з них утворюється мікротрещени, далі з'єднуються в загальну тріщину, поступово поширюється на розтин. Руйнування відбувається в результаті зростання напруги в рештою зоні перетину. В окремих перенапружених зернах відбувається пластична деформація.
Властивості стали визначаються розміром дійсного зерна. Захоплення його розмірів порівняно мало впливає на границю міцності, але різко знижує в'язкість і підвищує критичну температуру крихкості. Отже, перегріта сталь з великим зерном має знижені механічні властивості, особливо пластичність і в'язкість, тобто схильна до крихкого руйнування.
Різні способи магнітного аналізу використовують при дослідженні процесів, зв'язкових з переходом з парамагнітного стану в феромагнітне. Магнітний аналіз широко застосовують при вирішенні завдань, дослідженні впливу на структуру режимів термічної обробки деформації.
Метод внутрішнього тертя заснований на вивченні незворотних втрат енергії механічних коливань усередині твердого тіла. Використовуючи цей метод, можна здійснити розрахунки коефіцієнтів дифузії з високою точністю, в тому числі і при низьких температурах, де жоден інший метод не застосовують, визначати зміну твердих розчинів, отримувати інформацію визначення в'язкої тріщини за вимірюваннями мезогеометріі зламу.
Деформація викликається дією зовнішніх сил, прикладених до тіла, або різними фізико-мехніческімі процесами, що відбуваються в самому зразку (тілі).
Наявність у випробуваному зразку (виробі) механічних надрізів, тріщин, внутрішніх дефектом металу призводить до нерівномірного розподілу напружень, створюючи біля основи надрізу пікову концентрацію нормальних напружень. У зв'язку з цим такі джерела концентрації напружень називають концентраторами напружень. Пік напруг тим більше, чим менше радіус концентратора напруги і чим більше глибина надрізу. Т. до викликаються різними причинами, то розрізняють тимчасові напруги, зумовлені дією зовнішнього навантаження і зникають після її зняття. Внутрішнє залишкову напругу виникають і урівноважуючі в межах тіла без дії зовнішнього навантаження.
Внутрішнє залишкову напругу виходить у процесі швидкого нагрівання чи охолодження металу внаслідок неоднорідного розширення поверхневих і внутрішніх шарів. Ці напруги називають тепловими. Крім того, напруги з'являються в процесі кристалізації при неоднорідної деформації, при термічній обробці внаслідок неоднорідного протікання структурних перетворень за обсягом по зламу. Їх називають фазовими або структурними.
Об'ємні дефекти мають значну протяжність в усіх напрямках. Прикладами таких дефектів є усадочні, газові раковини, тріщини, що утворилися на різних етапах технологічного процесу виробництва металу. Для кристалів характерний механізм дифузії який пов'язаний з поняттям флуктуацій, тобто безладне відхилення випадкових величин в обидві сторони від їх випадкового значення. Наявність флуктуації обумовлено атомної структурою речовини і тепловим рухом частинок. Середня теплова енергія коливних атомів в залежності від температури становить 0,025-0,2 еВ. У кристалах спостерігаються вакансії, то є порожнечі. Джерелами вакансій є вільні поверхні кристала: межі зерен, тріщини і пори в всередині кристалу.
Переміщення чужорідних атомів визначає процес гетеродеффузіі. Коли чужорідні атоми переходять з одного вузла решітки переходять в інший, для цього потрібне видалення з вузла решітки атома основного металу, такий процес вимагає значної енергії.
При зустрічі вакансій може відбуватися їх скупчення, а так само переродження і інші види дефектів - в субмікроскопічні тріщини й лінійні дефекти (дислокації). Сток вакансій до існуючих тріщинах і порах призводить до збільшення розмірів тріщин. У цьому випадку має місце значне раз зміцнення металу, тобто точкові дефекти мають істотний вплив на міцність металів. Дислокації можуть утворитися при кристалізації. У результаті утворюється новий єдиний кристал з не повністю заповненої атомної площиною, яку називаю екстраплоскостью. Можуть спостерігатися перекручування в розташування атомів в кристалі, тому по розмірним ознаками край екстраплоскості створює лінійний дефект, який називається дислокація.
Існують методи вивчення кристалічної будови металів у масштабах зерен і їх комплексів. Розміри зерен у полікрісталіческіх тілах можуть коливатися в межах 0,0001-0,1 см. Тому в ряді випадків оцінку кристалічної будови можна дати на основі розгляду неозброєним оком або при малих збільшеннях. Макроанализ застосовується для встановлення великих дефектів будови металу, розташування волокон, викликаного відповідними технологічними процесами. Макро аналіз поверхні руйнування деталей дозволяє встановити причини викликали руйнування. Для вивчення мікроструктури (утворення тріщин, розташування зерен) застосовується мікро структурний аналіз, в якому використовуються електронні мікроскопи.
Зміна властивостей металу після пластичної деформації пов'язано зі зростанням дислокації, яка характеризується сумарною довжиною дислокації, що містяться в одному сантиметрі кубічного металу. Деформації супроводжується дробленням блоків в кристалах. Наклеп металу супроводжується зміною та інших фізичних властивостей, відбувається зменшення корозійної стійкості. В'язке руйнування, в результаті чого утворюється в'язка тріщина відбувається шляхом зсуву під дію дотичних напружень. Площина ковзання розташована під кутом 45 0 до напрямку головних нормальних напруг. Більшості реальних матеріалів притаманне як в'язке, так і крихке руйнування. Характерною ознакою в'язкого руйнування є енергоємність, тобто величина роботи руйнування, вид тріщини, поверхня зламу та швидкість поширення тріщини. При утворенні в'язкої тріщини витрачається велика робота. Для розвитку в'язкої тріщини необхідний безперервний зовнішній підведення енергії витрачається на пластичне деформування металу попереду зростаючої тріщини і подолання виникає при цьому зміцнення. При цьому робота, що витрачається на пластичну деформацію, значно перевищує роботу власного руйнування.
При в'язкому руйнуванні тріщина має великий кут розкриття (тупа тріщина), поверхня руйнування характеризується значним ступенем пластичної деформації. При низьких температурах межзеренного кордону зазвичай міцніше самих зерен, тому у більшості металів при низьких температурах руйнування має транс кристалічний характер і проходить по зернам, а не по межах між ними. При підвищених температурах межзеренного кордону звичайно слабкіше зерен. Тому руйнування при підвищених температурах має меж кристалічний характер.
Злам при в'язкому руйнуванні має волокнистий характер без металевого блиску, яке можна знайти з допомогу. Електронно-мікроскопічного дослідження. Швидкість поширення в'язкої тріщини значно нижче і визначається швидкістю наростання напруги, тому в разі в'язкого руйнування необхідно підвищувати міцність матеріалу. Рівень руйнують напружень визначається найбільш енергоємною фазою. Існує ряд моделей дислокаційного механізму зародження тріщини. Згідно загальної моделі Зінера, крайові дислокації рухаються по площині ковзання до перешкоди. Якщо при підході вони не можуть здолати цей «непрозорий» бар'єр, то утворюється нагромадження дислокацій, виникає концентрація напружень. При цьому в цій зоні напруга може перевищити прикладена напруга.
Коли напруги перевершать сили межа томної зв'язку матеріалу, виникає мікро тріщина. Наступною стадією руйнації є підростання зародкової мікро тріщини до тріщини критичного розміру, коли буде досягнута критичне співвідношення між діючим напругою і довгою тріщини. Зростанню тріщини сприяє взаємодія полів напругу у її вершини.
Таким чином, стадії зародження мікротріщини і її підростання до критичного розміру є наслідком руху дислокацій, тобто пластичною деформацією металу.
Дефекти типи тріщин є концентраторами напруг, які тим більше чим гостріше тріщина і більше її довжина. У випадку досить гострою і довгою тріщини напруга поблизу її вершини можуть досягати значень, що перевищують руйнівне напруження матеріалів навіть при порівняно малому доданому напрузі. Щоб передбачити поведінку тріщини необхідно провести метод напруженого стану поблизу вершини тріщини. При просуванні тріщини мають місце процеси: вивільнення пружної енергії, запасеної системою і витрата енергії на утворення нових поверхонь тріщини. Тендітна тонка пластина одиничної товщини знаходиться під дію зовнішніх сил, які створюють напругу. Поведінка тріщини в розтягуючої пластині залежить від того в яку сторону буде змінюватися загальна енергія пластини при малому перетворенні довжини тріщини. Якщо зі зростанням тріщини енергія пластини буде зменшуватися, то тріщина буде рости без зовнішнього додаткового впливу, тобто мимоволі. Зростання тріщини пов'язаний з пластичною деформацією що йде попереду вершини тріщини. При плоскій деформації зона пластичної деформації значно менше, ніж у випадку плоского напруженого стану.
В'язка тріщина визначається відносним розвитком нормально і похило ділянок руйнування. У досить товстих зразків з високо розвиненою поверхню нормально руйнування в'язкість руйнування наближається до граничного значення в умовах плоскої деформації. Знання в'язкості руйнування дозволяє визначати максимально допустимі напруги конструкції при наявності тріщин певної довжини.
Статичні, динамічні та циклічні випробування опору розвитку в'язкої тріщини зводяться до наступного в зразках певної форми і розміру наводиться штучна тріщина. Потім проводять навантаження зразка з одночасним записом навантаження і зміщення берегів тріщини. Є види зразків для визначення в'язкості руйнування при навантаженні: циліндричний зразок з кільцевим надрізом і тріщиною для випробувань на осьовий розтяг і вигин; плоский зразок з центрально наскрізний тріщиною на осьовий розтяг, плоский зразок з боковим одностороннім надрізом і тріщиною для випробувань на розтягання плоский зразок з боковим надрізом і тріщиною для випробувань на зосереджений вигин. Форму і розміри зразків для визначення характеристик в'язкості руйнування вибирають з урахуванням мети випробування і призначення. Вчасно досвіду здійснюється автоматична запис даних про навантаження на зразок і зростанні тріщини. Після того як зразок тріщини підготовлений, він встановлюється у випробувальній машині і проводиться його безперервне навантаження з одночасним записом діаграми навантаження. Зразки повинні мати товщину, що забезпечує руйнування в умовах плоскої деформації. Основним недоліком випробувань на в'язкість руйнування в умовах плоскої деформації є необхідність використання великих зразків при дослідженні матеріалів середньої і низької міцності.
В'язкість руйнування тісно пов'язана з показниками міцності матеріалу збільшення міцності супроводжується зниженням пластичності і в'язкості руйнування. Це пояснюється тим, що у високоміцних матеріалів мала енергія, що поглинається при руйнуванні рівень якої визначається величиною пластичної деформації біля вершини тріщини. Для високоміцних матеріалів ефект збільшення міцності істотно перекривається зниженням пластичності, в результаті чого в'язкість руйнування зменшується. Матеріали середньої і низької міцності при кімнатній температурі зазвичай мають більш високі значення, ніж високоміцні з пониженням температури міцність зростає і за певних умов поводження матеріалу середньої і низької міцності стає таким же, як у високоміцного матеріалу при кімнатній температурі. При низьких температурах випробування в'язкості руйнування можна проводити на зразках менших розмірів.
Розмір зерна полі кристалічних матеріалів є одним з основних параметрів мікроструктури. Зменшення розмірів зерен дозволяє збільшити міцність і в'язкість металу, тому при подрібненні зерна зростає в'язкість руйнування. Використання такого методу як контроль процесу виплавки і особливо розкислення сталі, зниження температури кінця прокатки, термоциклічної і термомеханічна обробка, які сприяють подрібненню зерна, дозволяє одночасно підвищити в'язкість руйнування.
Вплив лідируючих елементів на в'язкість руйнування, перш за все, обумовлено їх впливом на величину зерна. Елементи, які сприяють подрібненню зерна, підвищують в'язкість руйнування, а елементи, зміцнюючі тверді розчини навпаки знижують в'язкість руйнування. Знання параметрів в'язкості руйнування дозволяють забезпечити надійність конструкції, це важливо в тих випадках, коли застосовуються висопрочние матеріали в нових проектах, які не мають аналогів у минулому, а безпека виробів повинна бути, безперечно, забезпечена.
Оцінку для визначення переднього фронту в'язкої тріщини можна знайти за видом зламу зруйновано зразка. Метод заснований на визначенні співвідношення площ в'язких і крихких ділянок зламу ударних зразків. В'язкий злам має характерну будову з попелястим відтінком. Зі зниженням температури кількість волокнистої складової в зламі снижется, з'являються блискучі ділянки. Зазвичай за критичну температуру приймають таку, при якій частка волокнистої структури рівні 50%.
У більшості випадків треба визначати не тільки загальну роботу руйнування при ударному вигині, а й її складові, а саме роботу за народження і роботу розвитку тріщини. Робота зародження переднього фронту в'язкої тріщини залежить від радіуса надрізу. Чим гостріше надріз, тим менша робота потрібна для зародження тріщини. Робота розвитку тріщини мало залежить від мезогеометріі надрізу і краще характеризує схильність металу до крихкого руйнування. Для її визначення зазвичай використовують зразки заздалегідь ініційованої тріщини. При випробуванні пластичних матеріалів робота руйнування зразка з тріщиною перевищує справжню роботу розвитку в'язкої тріщини на величину роботи пластичної деформації, що витрачається на згинальну та поперечну макродеформацій.
Метод визначення - ударної в'язкості заснований на лінійній залежності ударної в'язкості від радіуса надрізу.
Один і той же матеріал під дією різних прикладених навантажень може давати крихкий або в'язкий злам. Злам називають в'язким в тому випадку якщо до руйнування матеріал мав значну пластичність. Визначення переднього фронту в'язкої тріщини полягає у випробуванні на ударну в'язкість. Це один з методів який полягає в наступному: випробування на вигин, випробування зразка має надріз і випробування дією ударного навантаження. Випробування на в'язкість, в'язкої тріщини дозволяють вивчати процеси старіння, контролювати правильність термообробки і відчувати зварні з'єднання. Перевага цього методу полягає у швидкості, малій витраті матеріалу.
Розподілу навантаження в ізотропному тілі може бути описано шістьма компонентами за умови використання мезогеометріі. У координатних площинах діють нормальні компоненти напруги і тангенціальні компоненти напруги. За допомогою цих головних напружень можуть бути розраховані зсувні зусилля, що діють в інших площинах. Сума головних напруг може бути дорівнює 0, в цьому випадку систему називають деформаційної. Дія нормальних напружень викликає пружне спотворення атомної решітки.
На відміну від нормальних напружень здвіговие напруги можуть викликати пластичну деформацію, обумовлену зрушенням атомних шарів. При гідростатичному напруженому стані зсувні зусилля відсутні. Це значить, що аж до настання крихкого зламу матеріал не деформується. При наявності деформаційної системи настане момент, що руйнування відбудеться після помітною пластичної деформації. Такий метод розподілу напружень по трьом координатних осях може бути застосований до визначенням в'язкої тріщини за вимірюваннями мезогеометріі зламу. У результаті цього виникає місцеве розтяг матеріалу, надріз виконує звуження перерізу, надріз усуває появи зсувних напружень.
Найважливіший параметр - величина ударної в'язкості. Найчастіше застосовують методику, за якою визначають відношення площі кристалічного плями на поверхні зламу до загальної величини перерізу зразка до руйнування на ділянках, які мають кристалічну поверхню злам носить крихкий характер. Для отримання більш точних результатів дану поверхню зламу проектують у збільшеному вигляді на матове скло.
Інший важливий параметр - кут, який утворюють після випробувань обидві половини зразка з центральною віссю проходила через зразок до випробувань.
Обидва ці методу тобто визначення величини кристалічного плями і кута вигину металу, мають перед методом визначення роботи при руйнуванні металу ту перевагу, що знайдені значення завжди можуть бути перевірені, якщо зберегти випробуваний зразок. Швидкість, в якій вантаж вдаряє по даному зразку, становить 5-7 метрів за секунду. Робота, витрачена на руйнування зразка може бути знайдена порівняно просто, експериментальне ж визначення сили удару і деформація зразка, тобто знаходження складових інтегралів роботи пов'язане з великими труднощами.
Сила, яка виробляє роботу, може дати випробування на ударну в'язкість. Тріщини починають з'являтися у зразку частіше ще до досягнення максимуму. Тріщина при цьому збільшується, у той час як вигин зразка не змінюється.
Ударна в'язкість стали зменшується при збільшенні вмісту вуглецю, сірки, фосфору й азоту. Погіршення ударної в'язкості спостерігається: ділянка крутого спаду температурної кривої залежності, ударної в'язкості зміщується в бік більш високих температур. Ударну в'язкість часто вимірюють для контролю правильності термообробки.
Зі збільшенням дрібнозернистості структури зростає ударна в'язкість, і ділянка різкого спаду зміщується в бік більш низьких температур. Контроль ударної в'язкості - єдиний метод виявлення гартівних крихкості. Гартівних крихкістю володіє така сталь, яка при повільному охолодженні володіє меншою в'язкістю.
Мікроаналіз застосовується для визначення форми і розмірів кристалічних зерен, атак само для виявлення мікро тріщин. Для виявлення мікроструктур проводиться травлення. Для травлення полірованої поверхні зразків найбільш часто застосовуються розчини кислот лугів і солей. Травлення виробляється або зануренням зразка в травитель, або нанесенням тавітеля на поліровану поверхню зразка. Після травлення мікро шліф промивається і висушується, для виявлення структури високо лісірованних спеціальних сталей застосовують електролітичне травлення. Виявлення структури може бути так само вироблено нагріванням полірованого зразка. Цей спосіб заснований на тому, що при нагріві його структурні складові окислюються не однаково швидко і окислюються в різні кольори.
Після травлення мікро шліф встановлюється мікроскоп, і мікроструктура розглядається у відбитому світлі. При розгляді на металографічного мікроскопа видно структуру металу, тому що окремі структурні складові труяться по-різному, одні дужче інші слабше. При висвітленні протравленого мікро шліфа промені світла будуть по-різному відбиватися від різному про трави структурних складових, одні слабше інші сильніше, тому одні будуть світліше інші темніше. Таким чином, на різниці в стані поверхні і кількості відбитих променів і заснована виявлення мікро тріщин металу.
Високоміцні і середньо міцні матеріали характеризуються низькими значеннями в'язкості руйнування. В'язкість більшості матеріалів працюють при низьких температурах досить висока, що утрудняє при розрахунку використання методів механіки руйнування. Величина коефіцієнтів запасу не має достатньо теоретичного обгрунтування і в значній мірі обумовлено сформованими традиціями розрахунку. Пластичність характеризує здатність металу піддаватися залишкової деформації, а в'язкість - здатність поглинати роботу зовнішніх сил при руйнуванні.
Конструкційні стали окрім високих механічних властивостей повинні мати високу міцність. До властивостей, що визначають надійність матеріалу проти раптових руйнувань відносяться: міцність, довговічність. Конструкційна сталь повинна мати гарні технологічними властивостями - легко оброблятися тиском мати малу схильність до деформації і трещенообразованію при загартуванню.
Конструкційні сталі поставляють у вигляді заготовок і сортовий гарячекатані, каліброваного і шліфованої сталі, у вигляді листів смуг фасованих профілів. Для отримання більш чистої по домішках стали її рафінують рідким синтетичним шлаком в ковші, застосовують так само еллектрошлаковий переплав. У деяких випадках проводять вакумнодуговой і виплавку вакуумних індукційних печах. Застосування рафінування знижує забрудненість сталі. Дані методи виплавки підвищують ударну в'язкість і тріщиностійкість, сто пояснюється підвищенням чистоти сталі. Поріг холодноламкості в результаті рафінування в стали змінюється мало, знижується анізотропія властивостей пластичності і в'язкості.