Теоретична і реальна міцність металів та шляхи її підвищення

Підвищення міцності (σ_в, σ_0,2) та опору втомленості (σ_-1) металів і сплавів при збереженні достатньо високої пластичності (δ, ψ), в’язкості (КСU, KCT) і тріщиностійкості (К_1С) забезпечує більш високу надійность і довговічність машин і знижує їх металомісткість завдяки зменшенню поперечного перерізу деталей при збереженні їх конструктивної міцності.

Розрізняють технічну і теоретичну міцність металів.

Технічну міцність характеризують такі властивості, як границі міцності (σ_в), текучості (σ_0,2) та ін..

Теоретична міцність – це опір деформації і руйнуванню матеріалу згідно теоретичним розрахункам з урахуванням сил міжатомної взаємодії при умові, що міжатомні зв’язки руйнуються одночасно між усіма сусідніми атомами, які розташовані в двох площинах атомів, що зміщуються одна відносно іншої, під дією зсувних напруг.

Орієнтовно теоретичну міцність метала можна визначити за формулою:

τ_теор = G / (2·π), (4.13)

де G – модуль зсуву.

Теоретична міцність, згідно підрахункам за формулою (4.13), на два-три порядка більше технічної, що пов’язано з існуванням у реальному металі дефектів кристалічної будови, особливо, дислокацій.

На рис.4.12 наведений графік залежності міцності (σ_в) від густини дислокацій (ρ) в металі, який показує, що підвищення міцності металів і сплавів можна забезпечити або отриманням металів з бездефектною структурою, або збільшенням густини дефектів (у т.ч. і дислокацій), що утруднює рух дислокацій.

Сучасний стан розвітку технології вирощування монокристалів дозволяє отримувати кристали, які практично не містять дефекти, але невеликих розмірів: завдовжки 2…10 мм і завтовшки 0,5…2 мкм. Такі кристали мають міцність, що наближується до теоретичної: наприклад, границя міцності нитковидних кристалів заліза становить 13000 МПа, міді -3000 МПа, цинку – 2250 МПа при границі міцності технічного заліза 250 МПа, міді – 240 МПа, цинку – 180 МПа.

Малі розміри нитковидних кристалів і їх висока чутливість до поверхневих дефектів обмежує їх практичне використання в техніці.

На практиці частіше використовують інший шлях підвищення міцності металів – збільшення густини дислокацій та інших дефектів. Реалізація цього шляху відбувається такими способами:

холодною пластичною деформацією (деформаційне зміцнення);

- отриманням сплавів-твердих розчинів (твердорозчинне зміцнення);

σ_в

`

ρ

Рис.4.12. Графік залежності міцності металу (σ_в) від густини дислокацій (ρ): 1 – теоретична міцність; 2 – міцність «вусів»; 3 – міцність незміцнених (відпалюваних) металів; 4 – міцність металів і сплавів, що зміцнені легуванням, наклепом, термічною або термомеханічною обробробками

- отриманням дрібнозернистого метала (зернограничне зміцнення);

- створенням в сплавах високодисперсної гетерофазної структури (дисперсне зміцнення);

- термічною (гартування) або комбинованою (термомеханічною (деформаційне зміцнення + гартування)) обробкою.

Деформаційне зміцнення. Результат такого зміцнення можна визначити за формулою (4.3), тому що зміцнення метала при пластичному деформуванні забезпечується збільшенням кількості дефектів кристалічної будови (дислокацій, вакансій, міжвузлових атомів), які утруднюють рух дислокацій і, відповідно, підвищують опір деформуванню та знижують пластичність, при цьому найбільше значення має збільшення густини дислокацій.

При деформаційному зміцненні сильно знижується опір крихкому руйнуванню, тому такий метод зміцнення не забезпечує високої конструктивної міцності металів і використовується для сплавів-твердих розчинів.

Твердорозчинне зміцнення.При утворенні твердих розчинів міцність (σ_в, σ_т, σ_0,2) і твердість (НВ) підвищуються. Орієнтовно зміцнення при утворенні твердого розчину може бути визначено за формулою Мотта-Набарро:

σ_т = G ∙ ε² ∙ C, (4.14)

де: ε – параметр, який залежить від різниці атомних радіусів розчинного компонента (R) і розчинника (R₀);

ε = (R - R₀) / R₀, (4.15)

С – атомна концентрація розчинного компонента.

При цьому утворення твердого розчину проникнення забезпечує у декілька разів більше зміцнення, ніж при утворенні твердого розчину заміщення при однаковій концентрації розчинного компонента.

Зернограничне зміцнення.Граница зерна – ефективна перешкода для руху дислокацій в металах. Це пояснюється тим, що дислокація не має можливості переходити границю зерна внаслідок різної орієнтації площини руху дислокації і площини ковзання в новому зерні. Тому, чим дрібніше зерна, тим міцніше метал.Математично взаємозв’язок між границею текучості (σ_т) і розміром зерна (d) описується формулою Холла-Петча:

σ_т = σ₀ + k∙ d ^-1/2, (4.16)

де σ₀, k – постійні параметри для данного метала або сплава.

Дисперсійне зміцнення.Найбільш сильно характеристики міцності підвищуються при створенні в сплавах високодисперсної гетеро фазної структури шляхом послідовного проведення гартування і старіння (природного або штучного). Зміцнення при старінні забезпечується гальмуванням дислокацій або зонами Гіньє-Престона (ГП), або дисперсними частинками зміцнюючих фаз (наприклад, карбіди і нітриди в сталях).

Тема 5. ЗАЛІЗО ТА ЙОГО СПЛАВИ

5.1. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів

Залізовуглецеві сплави (сталі та чавуни) – це найважливіші металеві сплави сучасної техніки. За обсягом виробництво сталі та чавуну перевищує виробництво кольорових металів і сплавів понад 10 разів. Тому вивчення діаграми стану залізо-вуглець, яка дає основне уявлення про будову залізовуглецевих сплавів, дуже важливо.

Вивчення та побудова діаграми стану залізо-вуглець було започатковано в 1868році Д.К.Черновим, який виявив існування в сталях критичних точок і їх залежність від вмісту в сталях вуглецю.

Діаграма стану “залізо - вуглець” наведена на рис 5.1. Існують дві діаграми фазової рівноваги – стабільна та метастабільна. У стабільній діаграмі другим компонентом є графіт, а у метастабільній – цементит. Частина точок і ліній стабільної діаграми мають координати, які відрізняються від аналогічних ліній і точок метастабільної діаграми. Ці лінії нанесені штрихами, а точки – літерами зі штрихом. Метастабільна діаграма визначає фазовий і структурний склад сталей і білих чавунів, а стабільна – сірих чавунів. Координати характерних точок діаграми стану Fe-C наведені у табл.5.1.

Рис.5.1. Діаграма стану “залізо – вуглець”

Таблиця 5.1.