ПРО ТЕХНІЧНУ МІЦНІСТЬ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ

3.1 Види навантаження

Вже згадувалося про те, що процеси взаємодії се­редовища та металу залежать від температури і де­якою мірою від тиску. Сильнодіючими факторами, що впливають «а взаємодію середовища з металом, є ме­ханічні напруження і зв’язані з ними ріст дефектності та викривлення гратки. Особливо несприятливо вплива­ють на механічні властивості в робочих середовищах ті види навантажень, які викликають локальні зміни в ме­талі, підсилюючи його гетерогенність.

Вплив середовища на фізико-механічні властивості металів залежить від виду навантаження, інтенсивності та швидкості зміни напруження, викликаного тим чи іншим видом «навантаження. Відомі такі види наванта­ження: короткочасне навантаження статичними силами; одноразове ударне; тривало діюче статичне; навантажен­ня повторно-діючими статичними силами; навантажен­ня повторно-змінними (циклічними) силами; наванта­ження багаторазовими ударами; навантаження поверх­ні повторними силами.

Розглянемо ці види навантаження. Короткочас­не навантаження статичними силами може викликати в металі, залежно від його властивостей, або крихке, або пластичне руйнування. До крихких мате­ріалів відносимо такі, які руйнуються відразу після ви­черпання пружної деформації, до пластичних — мате­ріали, що дають залишкову пластичну деформацію.

Цей вид навантаження використовується для виз­начення механічних характеристик сталі: границі міц­ності і текучості і (дан/мм²), дійсного опору роз­риву S (дан/мм²), відносного видовження (%) і від­носного поперечного звуження (%).

Важливе значення як характеристики металу мають величини S та . По них судять про механічні властивості і вибирають відповідний сорт металу для виготовлення деталей машин. У більшості випадків розрахункове напруження береться меншим від границі текучості; для пластичних металів у цих випадках допустиме напруження становить частину границі текучості, а для крихких — границі міцності. Деталі машин нової техніки, без сумніву, будуть вже працювати в пружно-пластичній зоні, тому і вибір роз­рахункового напруження, очевидно, буде іншим.

Одноразове ударне навантаження при достатній енергії удару призводить до руйнування ме­талу, причому пластичні метали витримують удар біль­шої енергії, ніж крихкі. Руйнування від удару зале­жить не лише від властивостей металу, а й від розмі­рів і форм деталі. Особливо чутливими до удару є деталі, які мають концентратори напружень. Цей вид на­вантаження широко використовується для лаборатор­них випробувань, але майже не зустрічається при екс­плуатації. Він дозволяє в лабораторних умовах визна­чати ударну динамічну міцність металу, тобто здатність витримувати динамічне навантаження.

Розрізняють два найбільш поширені методи дослід­жень одноразовим ударом — дослідження надрізаних зразків іна згин та дослідження ненадрізаних зразків на розтяг.

У першому випадку визначається величина ударної в’язкості а_к (дан•м/см²), яка дорівнює робо­ті, затраченій на деформацію ударним згином надріза­ного зразка, віднесеній до одиниці поперечного пере­різу зразка. Вона характеризує здатність металу до крихкості або пластичності в надрізі, тобто динамічну міцність надрізаного металу.

У другому випадку визначається питома робота де­формації А (дан•м/см³), що дорівнює роботі, затраче­ній на руйнування від розтягу одноразовим ударом не- надрізаного зразка, віднесеній до всього деформовано­го об’єму зразка. Ця величина характеризує здатність металу витримувати динамічні навантаження. Для плас­тичних металів питома робота при розриві одноразовим ударом більша від роботи при статичному розриві для сталей (А_У/А_СТ = 1,2-1,8), для крихких — навпаки.

Тривалодіюче статичне навантажен­ня може викликати два види руйнування в залежності від властивостей металу. В першому випадку буде спо­стерігатися безперервна, мала, повільно зростаюча де-, формація при постійному навантаженні, яка призводить до відносно крихкого руйнування, у другому — дефор­мація практично не спостерігається, але з часом може викликати крихке руйнування. Руйнування в обох ви­падках відбувається при напруженнях, менших від гра­ниці міцності, знайденої при короткочасному статично­му навантаженні.

Перше явище має назву повзучості металу, найчас­тіше воно спостерігається при підвищених температу­рах, але відомі випадки повзучості м’якої сталі, яка спостерігалася при мінусових температурах («мінус» 75° С). Друге називають сповільненим руйнуванням або ста­тичною втомою металу.

У випадку руйнування металу від повзучості на по­вітрі зломи, як правило, грубозернисті з крупними не­рівностями поверхні і мають міжзеренний характер. При цьому виді навантаження повзучість характеризує границя повзучості при заданій температурі, визначена або при рівномірній швидкості повзучості, або по су­марній деформації за час служби металічної деталі. Вона являє собою напруження, яке в першому випад­ку викликає певну задану швидкість повзучості, а в другому — певну задану величину деформації.

При руйнуванні металу на повітрі при статичній втомі зломи переважно дрібнозернисті і мають транс- кристалічний характер. Статична втома на повітрі спо­стерігається у загартованих низьковідпущених сталей. Статичну втому сталі характеризує границя довготри­валої міцності або статичної втоми (дан/мм²), що дорівнює напруженню, яке витримує метал при трива­лому навантаженні статичними силами певний, напе­ред визначений час.

Тривале навантаження статичними силами в деяких робочих середовищах може викликати корозійне роз­тріскування або водневу статичну втому при відповід­ній дії корозійного робочого середовища або середови­ща, яке викликає наводнювання сталі.

Навантаження п о в т о р н о-д і ю ч и м и ста­тичними силами, які викликають напруження поза границею текучості, призводить до своєрідного виду втоми матеріалів, названого малоцикловою або плас­тичною втомою, оскільки весь процес відбувається в пружно-пластичній області. Руйнування металу в цьому випадку проходить після порівняно невеликої кількості навантажень. Воно характеризується помітними сліда­ми пластичної деформації, особливо на ділянці остаточ­ного руйнування. На поверхні повторно-статичних зла­мів інколи утворюються радіальні промені, подібні до тих, які спостерігаються при статичному крихкому руй­нуванні деталей.

Повторно-пластичне навантаження характеризує­ться локалізацією деформації в небезпечному перерізі; лише там відбувається руйнування і деформація, в той час як решта металу деформацією не порушується. Цей вид навантаження спостерігається при так званих тех­нологічних пробах на перегин і закручування, а також при роботі деяких деталей машин в умовах одноразо­вих високих перенавантажень статичними силами, наприклад, шасі літаків, стінок корпусів підводних чов­нів тощо. В новій техніці цей вид навантаження буде поширеним тому, що для багатьох деталей машин, строк служби яких сильно обмежений, буде можливе їх перенавантаження поза границею текучості.

Дослідження на малоциклову втому проводять пере­важно при заданих рівнях пластичної деформації, а ре­зультати наносять на діаграми в координатах рівень пластичної деформації — число циклів або час.

Навантаження повторно - змінними (цик­лічними) силами при напруженнях, нижчих від гра­ниці текучості, викликає явище так званої втоми мета­лів. У цьому випадку може відбутися раптове макро­скопічно-крихке руйнування металу. Втому металів ха­рактеризує границя втоми (дан/мм²) ', тобто напру­ження, при якому метал вже не руйнується від вто­ми.

Навантаження повторно-змінними циклічними на­вантаженнями при підвищених температурах також викликає явище втоми металів, при якому, аналогічно попередньому випадку, відбувається мікроскопічно- крихке раптове руйнування. Відмінною рисою втомних зломів у цьому випадку, що розрізняють лише під мік­роскопом, є поява пачок ліній ковзання у зернах металу в зоні власне втомного злому, на ділянці долому від­мічається типова бугорчаста будова злому.

Навантаження повторно-змінними циклічними сила­ми при одночасній дії робочого середовища може викли­кати явище адсорбційної, корозійної або водневої вто­ми металу. Адсорбційна втома спостерігається в поверх- нево-активних середовищах, корозійна — в корозійно агресивних і воднева—при насиченні металу воднем.

Втому металу при дії корозійного середовища або водню характеризує умовна границя втоми (дан/мм²), тобто таке напруження, при якому метал не руйнується від втоми протягом заданого часу або витримує без руйнування задане число змін навантажень N .

Навантаження багаторазовими ударами викликає так звану ударну втому, що займає про­міжне місце між звичайною втомою і явищем, виклика­ним одноразовим руйнівним ударом.

При ударній втомі спостерігається макроскопічно- крихке руйнування, яке мало відрізняється від руйну­вання при звичайній втомі. Цей вид навантаження часто зустрічається в таких деталях, як клапани, бойки удар­ника, кулаки і т. п.

Ударну втому характеризує границя ударної втоми (дан/мм²), яка нижча від границі втоми при цик­лічному навантаженні на 20-25 %, коефіцієнти ж кон­центрації напружень можуть бути на 50 % вищими для ударної втоми, ніж для звичайної.

Навантаження поверхні повторними силами, яке викликає місцеві контактні напруження, ши­роко спостерігається при роботі шарико- і роликопід­шипників зубчатих коліс та багатьох інших деталей. Воно характеризується локальністю дії напруження.

При цьому виді навантаження може настати локаль­на контактна втома матеріалу, яка викликає викришу­вання металу, так зване віспоподібне спрацювання (зношення), або пітинг. При цьому виді навантаженню може спостерігатися також і відшаровування невеликих лусок металу — лущення. Контактно-втомне руйнування найчастіше спостерігається в загартованих та низьковідпущених сталях.

Всі ці види навантаження можуть викликати крихке, квазікрихке та в’язке руйнування металу. Вплив робо­чих середовищ впливає на вид руйнування, яке доціль­ніше дослідити за допомогою фрактографії.

3.2 Пружність, не пружність, пластичність

Технічна міцність сталі або сплавів характеризує усереднену (інтегральну) міцність металу переважно для найбільш слабкого перерізу деталі при нормальних температурах і тисках в умовах експлуатації. Знаючи технічну міцність сталі або сплаву в цих умовах, мож­на внести поправки на вплив середовища, температури, форми виробу, виду навантаження і т. п. і забезпечити технічну міцність виробу.

Технічною міцністю називають здатність матеріалу виробу чинити опір руйнуванню. Руйнування матеріалу виробу може бути пластичним або крихким; в першому випадку перед руйнуванням метал значно пластично де­формується, у другому — руйнування проходить без помітної пластичної деформації. Пластичне руйнування відбувається в основному під впливом дотичних, а крихке — під впливом нормальних напружень.

Технічна міцність сталі залежить від її хімічного складу і структури, а також способів одержання ме­талу (лиття, прокатка, волочіння, поковка і т. п.). Міц­ність сталі проявляється по-різному в залежності від виду пружного стану, орієнтації в силовому потоці, текстури, форми виробу, температури і швидкості де­формації. Під впливом цих факторів, а також середо­вища одна й та ж сама сталь може руйнуватися крихко або пластично.

Величина технічної міцності визначається механіч­ними характеристиками металу, одержаними при дос­лідженні спеціальних зразків, при відповідному відтво­ренні тривалості навантаження, виду напруженого ста­ну, швидкості деформації, температури і середовища, тобто умов, в яких передбачена експлуатація металу. Але найпоширенішим типом досліджень є простий одновісний розтяг стандартних зразків у повітрі лабора­торного приміщення короткочасно діючою статичною силою. Ці дослідження в основному характеризують пружні властивості та міцність сталі.

За технічними умовами на прийом-здачу сталі її міцність характеризується границею міцності та границею текучості , а пластичність — відносним ви­довженням та відносним поперечним звуженням .

Рисунок 3.1 – Діаграма розтягу мякої сталі

Напруження зразка підраховують за формулою (дан/мм²), де Fо — площа зразка до деформа­ції. Ці напруження є умовними і могли би бути пра­вильними лише у випадку незмінності поперечного пе­рерізу зразка в процесі деформації.

В результаті вивчення наведеної на рис. 9 діаграми розтягу м’якої сталі приходимо до висновку, що на по­чатку досліду стальний зразок видовжується пропор­ційно збільшенню навантаження, а метал зазнає пруж­ної деформації і підкоряється закону Гука про пропор­ційність напруження відносному видовженню: , де Е — модуль нормальної пружності, і — відносне ви­довження в пружній зоні, (100 %), к — почат­кова довжина зразка. Площа ОАВККо показує працездатність матеріалу. При розриві зразка в електроліті в процесі анодної поляризації ця площа дещо скорочується. У випадку розриву зразка в елект­роліті при катодній поляризації відбувається наводню­вання зразка; він рветься при малій силі Рк , а праце­здатність матеріалу скорочується до площі ОАВВ₀.

Від точки 0 до А відбувається пружна деформація зразка, що характеризує зону пружності, в якій напру­ження пропорційні видовженню (зона пропорційності), причому напруження, що відповідає точці А, назива­ється границею пропорційності. Окремі зерна металево­го зразка зазнають різної деформації, тому навіть при дуже малих напруженнях окремі зерна деформуються вже пластично. Коли таких зерен стає більшість, то крива розтягу для всього зразка (від А до В') характе­ризує вже пружно-пластичну зону, після якої почина­ється текучість матеріалу, тобто збільшення довжини при постійному напруженні.

Деякі метали після переходу через границю текучос­ті продовжують деформуватися (текти) навіть при більш низьких напруженнях (величина, до якої падає напруження, називають нижньою границею текучості на відміну від досягненої раніше верхньої границі). Ос­таннє більше залежить від умов дослідження (форми зразка, швидкості навантаження і т. ін.).

При розтягненні крупнозернистих або загартованих та відпущених сталей, а також сталей зі зміцненим по­верхневим шаром на діаграмі розтягу нема горизон­тальної площадки (С₁ ‑ С₂), яка характеризує текучість металу. В цих випадках визначають умовну границю текучості, під якою розуміють напруження, що відпо­відає заданій залишковій деформації зразка, яка, наприклад, дорівнює 0,2% початкової його довжини. Тоді умовна границя текучості буде [дан/мм²].

Пружність обумовлена викривленням гратки і збли­жанням або віддаленням один від одного її вузлів. Пружність — це явище, при якому спостерігається повна відповідність між напруженням і деформація­ми, що поширюються в металі зі швидкістю звуку. Але в реальних металах деформація, залишаючись пружною, відстає від напруження, при навантаженні замість прямої утворюється петля, названа петлею гіс­терезису. Це явище зветься непружністю і, як показали останні дослідження, спостерігається навіть при дуже Низьких напруженнях. Причинами запізнення деформа­цій від напруження є різного роду недосконалості кристалевої гратки, в тому числі дислокації, втілені атоми та інші включення, а також міжзеренна в’язка речови­на. Ті ж явища е причинами внутрішнього тертя. Внут­рішнє тертя в твердих тілах пропорційне перетворенню в тепло механічної енергії від деформації.

Отже, пружна деформація залежить від прикладен­ня навантаження та розвантаження. Це явище, як вже говорилося, називається пружним гістерезисом. Де­формація залежить від швидкості навантаження, що викликає пружну післядію, при якій після зняття на­пруження,, в залежності від його швидкості, ще спосте­рігається деформація. Післядія — зміна деформованого стану тіла при незмінному напруженому стані; її вив­чає реологія.

При наявності втілених атомів запізнення деформа­ції зв’язане з їх рухом, тобто з дифузією, яка значною мірою залежить від температури. Таким чином, явиша непружності тісно зв’язані з дифузійними переміщення­ми, які при низьких температурах затруднені. В цьому випадку непружність значно більша, ніж при високих температурах. Як вважають, процеси втомного руйну­вання зв’язані з явищами непружності.

Величина гістерезису, пружна післядія, величина внутрішнього тертя в твердих тілах залежать від се­редовища, в якому відбувається деформація, про що мова йтиме далі.

Після площадки текучості (С₁‑С₂) при збільшенні видовження зразка починається збільшення наванта­ження, але вже непропорційне залишковому видовжен­ню. Це залишкове видовження буде рівномірним для всього об’єму зразка до певного значення навантаження Р_в, коли на зразку почне утворюватися шийка, а дефор­мація при цьому зосередиться в об’ємі металу, що вона займає. Далі зі збільшенням деформації навантаження падає, і при його величині, рівній Р_к, зразок розрива­ється.

Від кінця площадки текучості до розриву зразка по­чинається зона пластичності. Пластичність зв’язана з необоротною зміною взаємного розташування атомів гратки і включає розрив деяких міжатомних зв’язків та утворення нових. Ця перебудова відбувається в най­більш викривлених пружною деформацією місцях атомної гратки, переважно на її структурних дефектах (дис­локаціях, вакансіях, різних включеннях тощо).

В результаті пластичної деформації метал зміцню­ється. В зв’язку з цим, якщо зразок попередньо піддава­ти розтягу за границею текучості, а потім стискати, буде спостерігатися більш низьке значення границі про­порційності (ефект Баушінгера). Баушінгер виявив, що границя текучості при повторному розтязі дорівнює максимальному напруженню, досягнутому при першо­му розтязі. При повторному навантаженні з протилеж­ним знаком границі пружності і текучості зменшуються. Відпал відновлює пружно-пластичні якості металу. Це пояснюється тим, що внаслідок пластичної деформації окремих зерен у зразку після зняття навантаження за­лишаються напружені області. Ці області, в яких вини­кають залишкові напруження, при дальшому випробу­ванні зразка на стиск досягають границі пропорційності раніше, викликаючи тим самим ефект Баушінгера.

Ефект Баушінгера ліг в основу моделі Мазінга полікристалічного твердого тіла, що перебуває в пружно-пластичній зоні, яка дає вірні результати при малих пластичних деформаціях.

Напруження, яке відповідає найбільшому наванта­женню Р_в, буде не дійсне, а умовне, тому що в момент дії сили Рв переріз зразка буде не F₀, а менший внаслі­док поперечного звуження при деформації.

Як видно з наведеного, границя міцності визна­чається з найбільшого навантаження, яке витримує зразок. Зразок з крихкого металу при досягненні мак­симального навантаження руйнується, і, отже, в цьому випадку є критерієм опору руйнуванню. Для пластичних металів, як видно з діаграми розтягу (рис. 3.1), максимальне навантаження не відповідає мо­менту руйнування, а 'вказує на момент початку утворен­ня шийки на зразку, тобто на перехід від рівномірної деформації до зосередженої, тому є лише характе­ристикою опору пластичній деформації.

Для вивчення впливу середовища на міцність до­цільно знати величину дійсного напруження при розри­ві (дан/мм²), де Р_к — сила, при якій зразок розірвався; Р_к — переріз місця розриву.г При пластич­ному руйнуванні сталі під дією одновісното розтягу, ве­личина S_К приблизно збігається з подвоєним значенням опору зрізу і тому є характеристикою граничного опору пластичної деформації при зсуві (зрізі) При крихкому руйнуванні сталі в першому наближенні крихке руй­нування характеризується відсутністю шийки і зна­ченням = 5 %, S_К близьке до опору відриву, обумовле­ного дією нормального напруження (тобто S_К = S відриву).

На діаграмі (див. рис. 9) загальна деформація по­казана відрізком . Вона включає пружну деформацію і пластичну

(Пластична деформація складається з двох скла­дових: — рівномірного видовження зразка (відрахо­ваного від початку пружної деформації до моменту по­чатку утворення шийки) і — зосередженого видов­ження зразка (відрахованого від моменту початку ут­ворення шийки до розриву зразка). Як буде видно далі, зовнішні активні середовища значно скорочують зосе­реджене видовження і величину дійсного напруження при розриві S_к.

Відносне звуження площі поперечного перерізу зраз­ка після розриву визначається як відношення величини зменшення площі поперечного перерізу в місці найбіль­шого потоншення шийки до початкової площі перерізу,, тобто , де Fк — кінцевий най­менший поперечний переріз зразка.

Пластичність металу найбільш повно характеризує величина , тому що вона показує властивості металу в шийці, тобто в місці найбільшої пластичної деформа­ції. Але в активних середовищах точне визначення утруднене через втрати форми перерізу в місці розриву під впливом середовища, в результаті чого пластичність металу в цьому випадку треба характеризувати від­носним видовженням , яке може бути проведене з ве­ликою точністю.

Якщо шийка при розтязі не утворюється, звуження і видовження однозначно зв’язані між собою формулою або ,а якщо вона утворюється, то

Пружну деформацію характеризують модулі нор­мальної пружності Е і зсуву G. Границя текучості не характеризує стан металу в пружній зоні, а є характе­ристикою перехідної пружно-пластичної зони деформації. Основною закономірністю пластичної деформації сталі є те, що зсуви (трансляції) відбуваються на най­більш «щільних» кристалографічних площинах і вздовж найбільш «щільних» ^[2] напрямків.

Рисунок 3.2 ‑ Діаграма за­лежності дійсних на­пружень 5 від дійсних деформацій е.

Після того як відбувся зсув, при дальшому збіль­шенні навантаження деформація переважно не відбу­вається другий раз по старій площині зсуву, метал у цьому місці зміцнюється, а зсув відбувається в незміцненому міс­ці. Чим більш пластично дефор­мований метал, тим він більш міцний і крихкий; такий метал називається наклепаним.

На рис. 3.2 показана залеж­ність дійсних напружень S_К (дан/мм²) від дійсних деформа­цій, в розглядуваному випадку від дійсних видовжень е (%)^[3]. Діаграма має однаковий харак­тер для різних металів і сплавів. Крива залежності дійсних напру­жень від дійсних деформацій складається з двох відріз­ків: прямолінійного ОА, який відповідає пластичній де­формації (ця ділянка кривої наближено може бути замі­нена прямою). Тангенс кута нахилу прямої О А до осі абсцис являє собою модуль пружності Е, який характе­ризує поведінку металу в пружній зоні деформації; тан­генс кута нахилу відрізка АК дорівнює модулю пластич­ності Д. Як видно з діаграми, з ростом пластичних де­формацій метал чинить все більший і більший опір, тобто він зміцнюється. Тому модуль пластичності Д характе­ризує поведінку металу в зоні пластичної деформації; він показує зміцнення (наклепуваність) в результаті пластичної деформації.

Якщо знехтувати значенням пружної деформації, яке становить лише 0,25-0,5% загальної деформації середньовуглецевої сталі, то, як показано на діаграм (див. рис. 3.2), . З формули видно, що при інших однакових умовах пластичність збільшується з рос­том дійсного напруження при руйнуванні і падає із збільшенням границі текучості. Таким чином, характер руйнування сталі (крихкий або пластичний) залежить від співвідношення величин S_К і .

Зміна хімічного складу сталі, її структури, ступе­ню наклепу, температури і швидкості деформації та деяких інших факторів викликає одночасну зміну, S_К, і Д, але не з однаковою інтенсивністю. При малих швидкостях деформації і при високих температурах границя текучості значно нижча від опору відриву, в зв’язку з чим сталь пластична. Будь-яка причина, що збільшує границю текучості до опору відриву сприяє переходу сталі в крихкий стан; до цих причин належать наклеп, збільшення швидкості деформації і зниження температури, що викликають ріст границі текучості, але незначно збільшують опір відриву. При ударних наван­таженнях високовуглецеві загартовані сталі руйную­ться крихко, аналогічно руйнуються сталі при низьких температурах, наприклад, для сталей зниження темпе­ратури нижче «мінус» 70 °С викликає значне зростання гра­ниці текучості і крихке їх руйнування.

Явище гістерезису звичайно вивчається у пружній і пружно-пластичній зонах. Щоб збільшити вплив пружних недосконалостей, слід збільшувати неоднорід­ність структури, долю дотичних напружень і створюва­ти неоднорідні напружені і деформовані сталі.

При збільшенні швидкості деформації площа петлі гістерезису зменшується, а при збільшенні гетероген­ності матеріалу явище гістерезису збільшується. На­приклад, наклепані метали дають більший гістерезис, ніж відпалені. При підвищенні температури, як прави­ло, площа петлі гістерезису збільшується.

При вивченні явищ непружності можна характери­зувати метал з точки зору наявності в ньому недосконалостей типу вакансій, дислокацій та інших включень і величини та якості міжзеренної речовини.

П. О. Ребіндером досліджені пружні недосконалості як монокристалів, так і полікристалічних зразків. Ни­ми виявлено виникнення пружної післядії розвантажен­ня при вивченні процесу відпочинку розтягнутих (на 200 %) монокристалів олова. Роль поверхнево-активно­го середовища в розвитку пружної післядії полягає в підвищенні ступеню диспергування монокристалу через значне зростання числа пачок ковзання.

Вплив поверхнево-активного середовища особливо сильний у пружно-пластичній зоні, але він проявля­ється також і в області пружних деформацій полікристалічних металів. Цей вплив, передусім, прояв­ляється в розвитку пруж­них недосконалостей ме­талу, а також в передчас­ній появі залишкових деформацій.

/ - 10 дан/мм². сек\ 2 - 10³ данІмм²Х Хсек;3 - 10⁵дан/мм².сек.

Рисунок 3.3 ‑ Діаграма розтягу сєред- ньовуглецевої сталі при різних швидкостях деформації

Значення границі міц­ності при розтязі і дійсно­го опору руйнуванню за­лежать від швидкості деформації. Підвищення границі текучості при збільшенні швидкості де­формації може призвести до такого крайнього ви­падку, коли після пружного розтягу відразу ж настає руйнування внаслідок безпосередньої пластичної де­формації.

Переважно стандартні випробування на розтяг для визначення механічних характеристик матеріалів про­водять при малих швидкостях і навантаженнях (10 дан/мм² сек). Проте досвід показує, що вигляд діагра­ми розтягу і положення її характерних точок можуть істотно залежати від швидкості деформацій/

На рис. 3.3 показані криві розтягу середньовуглецевої сталі, зняті при статичному (/), швидкісному (2) та високошвидкісному (5) навантаженні. Порівнюючи їх, бачимо, що при збільшенні швидкості криві піднімаються вище, причому найбільш сильно зростає границя текучос­ті. Максимум діаграми зміщується в бік менших де­формацій, хоч загальна її протяжність, що характери­зується відносним видовженням б, змінюється мало; на початку дещо зростає, а при великих швидкостях змен­шується. Пружні сталі (Е, ), які визначають процес пружної деформації, помітно не змінюються (рис. 3.3).

Така тенденція до збільшення опору пластичній де­формації при зростанні швидкості навантаження харак­терна для всіх матеріалів, що перебувають у пластично­му стані і особливо яскраво виявляються в пластмасах. Для крихких (мікронеодінорідних) матеріалів типу ме­талокераміки спостерігається протилежне — їх міцність падає зі збільшенням швидкості випробування.

Механізм впливу швидкості випробування на де­формацію для кристалічних тіл можна описати таким чином. Спостереження показали, що миттєво прикладе­не до зразка навантаження, яке перевищує границю текучості, призводить до появи пластичних деформацій лише після певного (визначеного в даних умовах) про­міжку часу, так званого часу запізнювання текучості. Цей час необхідний для того, щоб вирвати вже існуючі дислокації з оточуючої їх «хмарки Коттрелла» з втіле­них атомів, для генерування нових дислокацій та приве­дення їх в рух.

Ясно, що при збільшенні швидкості розтягу цей про­цес не буле встигати за деформацією, і тому вона зму­шена відбуватися за рахунок пружних переміщень, в той час як при малих швидкостях вона проходила б за рахунок руху дислокацій. Крім цього, пластична дефор­мація супроводжується активованими нею взаємопо­в’язаними фізико-хімічними процесами дифузії, рекрис­талізації, відпочинку, адсорбції, фазових перетворень тощо, протікання яких проходить також у часі.

Таким чином, вплив швидкості визначається тим, в якій мірі при швидкісному навантаженні встигли від­бутися пластична деформація і ті процеси, які супро­воджують ЇЇ при повільному навантаженні. Очевидно, що це буде істотно залежати від природи матеріалу, його мікро- і макроструктури, наявності домішок, .ме­ханічного стану, середовища і температури. Тому не тільки різні матеріали, а й один і той же матеріал, ви­пробуваний у різних умовах, по-різному чутливий до швидкості деформації. Особливо сильно на вплив швид­кості навантаження впливає температура, оскільки вона в основному визначає можливість протікання того чи іншого процесу (наприклад, рекристалізації, фазо­вого перетворення тощо). Властивості металів з низь­кою Т_пл (свинець, олово) при звичайній температурі значною мірою залежать від швидкості деформації, в той час як ця залежність для більш тугоплавких ме­талів (залізо, мідь) стає відчутною лише при зміні швидкості на три-чотири порядки. Виявляється, що тут основну роль відіграє те, як близько перебуває метал від точки плавлення. Якщо зіставляти результати дослі­джень при однаковому відношенні абсолютної темпера­тури випробування (тобто при однаковій гомологічній температурі), то картина для різних металів стане зовсім подібною. При високих гомологічних температу­рах (Т/Т_ПЛ>0,4), коли інтенсивно відбуваються знеміцнюючі процеси рекристалізації та відпочинку, чутли­вість до швидкості деформації дуже велика, оскільки різниця між опором металу, що пройшов рекристалі­зацію, і металу, який не встиг її пройти, значна. Зрозуміло, що ця різниця буде виявлятися найсильніші при великих пластичних деформаціях в зоні зміц­нення.

Із зниженням температури вплив Швидкості змен­шується. Але при низьких гомологічних температурах Т/Т_ПЛ <0,2) знову спостерігається (особливо для ОЦК- металів) зростання впливу швидкості навантаження в основному на границю текучості. Це явище зв’язане з різким збільшенням при цих температурах часу, необ­хідного для приведення дислокацій в рух. В міру наближення до абсолютного нуля руйнування стає крих­ким і роль швидкості зменшується.

Хоч вплив швидкості навантаження на механічні властивості матеріалів в цілому зрозумілий, проте де­тально механізм цих явищ поки що вивчений слабо. Тому для визначення залежності механічних характе­ристик від швидкості навантаження використовують на- півемпіричні формули типу (при високій температурі) і (при низькій температурі) , в яких сто, А, К — деякі визначені дослідом константи матеріалу, залежні від температури випробування.

Якщо збільшувати швидкість деформації до величи­ни порядку 10⁴ сек^-1 і вище, яка досягається при ударі та вибуху, картина якісно змінюється. Процес деформа­ції набуває хвильового характеру, і майже вся робота зовнішніх сил переходить у кінетичну енергію частинок тіла. Матеріал поводить себе як легко деформоване майже рідке середовище, фізичний стан якого ще не­достатньо вивчений.

Швидкість деформації має значний вплив на дію се­редовища на механічні 'властивості матеріалів. З нас­тупного розділу ми дізнаємося, що шляхами проникнен­ня середовища в матеріал, крім регулярної дифузії, є тріщини та інші дефекти, що розвиваються.

Вплив температури на характеристики механічних властивостей металів та сплавів досить різноманітний і залежить від їх хімічного складу, а також від умов механічних випробувань: температурного діапазону (низькі або високі температури), виду напруженого стану, швидкості навантаження тощо. В основі багатьох явищ, які спостерігаються при цьому, лежить характер­на для більшості технічних сплавів значна температур­на залежність опору малим пластичним деформаціям. При зниженні температури границя текучості різко збільшується, в той час як інші характеристики, в то­му числі руйнівне напруження, змінюються не так силь­но. На цій властивості базуються два принципово важ­ливих явища: холодноламкість та повзучість.

Під холодноламкістю розуміють інтенсивне окрихчення металів і сплавів при низьких температурах, яке проявляється перш за все в зменшенні пластичної де­формації, що передує руйнуванню, і в зміні характеру руйнування (із зрізу на відрив). В області температур випробувань, де настає холодноламкість, спостерігають, як правило, різке (порогове) зниження роботи, затраче­ної на руйнування деталі чи зразка Ј_р (рис. 3.4). Тем­пературу досліджень, яка відповідає такому переходу, називають переважно порогом холодноламкості Т_х. Во­на залежить від хімічного складу сталі і способу її ви­плавки. Чим більший вміст вуглецю в сталі, тим вище значення Тх, при підвищенні чистоти сталі Т_х знижу­ється. Збільшення концентрації напруження і розміру зразків приводить до підвищення порогу холоднолам­кості. Величина Т_х є однією з найбільш важливих ха­рактеристик сталі, яка визначає не лише її поведінку при низьких температурах, а й схильність до крихкого руйн