РАБОТА СТАЛИ ПОД НАГРУЗКОЙ

Работа монокристалла железа

Исследования показывают, что сдвинуть одну часть монокристалла железа по другой значительно легче, чем оторвать (рис.1), поэтому деформации в зернах железа протекают путем сдвига по плоскостям, наиболее густо усеянным атомами, поскольку при этом требуется преодолеть не сумму сил взаимодействия всех атомов, расположенных на плоскости сдвига, а достаточно возбудить напряжения, при которых начинается перемещение только отдельных атомов, связанное с локальным нарушением правильной структуры кристалла.

Рис.1. Работа монокристалла железа

Граница между участком, в котором скольжение уже произошло, и остальной частью кристалла называется линией дислокации.

Различают два вида несовершенств или дефектов кристаллической решетки, влияющих на прочность: точечные и линейные.

К точечным относятся (рис.2):

а) отсутствие атома в узле решетки (вакансия);

б) расположение атома вне узла решетки (межузельный или внедренный атом);

в) наличие инородного атома в узле решетки.

Рис.2. Дефекты атомной решетки

К линейным дефектам относятся краевые и винтовые (рис.3).

В окрестностях линий дислокаций создаются поля внутренних упругих напряжений, которые взаимодействуют и собирают вокруг себя точечные дефекты образуются атмосферы примесных атомов, последние, в свою очередь, оказывают большое влияние на перемещение линий дислокаций и, соответственно, на механические свойства металла.

С увеличением числа дислокаций прочность монокристалла уменьшается, достигая (при определенном их количестве) минимума с последующим возрастанием, вызванным тем, что избыточные дислокации начинают создавать препятствия сдвигу, получается беспорядочное скопление дефектов, перемещение дислокаций в котором затруднено.

Работа поликристалла железа

Пластическое течение железа происходит под воздействием касательных напряжений путем сдвига по отдельным зернам - кристаллам (рис.4).

В железе, состоящем из громадного числа зерен, каждое из зерен имеет разное ориентирование кристаллической решетки, имеются искажения решетки у границ зерен, что создает затруднения сдвигу. Поэтому сопротивление пластическим деформациям у железа выше, чем у отдельного монокристалла (зерна).

Железо работает как изотропный материал в упругой стадии. При переходе в пластическое состояние при хаотическом расположении зерен всегда находятся плоскости, по которым действуют наибольшие касательные напряжения и большинство зерен на которых расположено благоприятно для сдвига. По этим плоскостям происходит наиболее интенсивное пластическое течение. Плоскости пластического течения видны на образцах как линии текучести (линии Чернова-Людерса, рис.5).

Рис.5. Плоскости пластического течения

Большое препятствие образованию сдвигов в зернах феррита создают в стали более прочные зерна перлита, поэтому прочность стали значительно выше прочности чистого железа (рис.6).

Рис.6. Диаграмма растяжения стали

Работа Ст3 при растяжении

В первой стадии до предела пропорциональности происходят упругие деформации, пропорциональные действующим напряжениям (стадия упругой работы). Деформации удлинения происходят в результате упруговозвратимого искажения атомной решетки. После снятия нагрузки образец принимает первоначальные размеры.

При дальнейшем увеличении нагрузки дислокации начинают скапливаться около границ зерен феррита, что приводит к постепенному появлению отдельных сдвигов в зернах феррита, нарушается пропорциональность между напряжениями и деформациями - деформации начинают расти быстрее напряжений (участок σ_пц - σ_т).

Последующее увеличение напряжений способствует образованию площадки текучести σ_т (Δε_т= 1.5-3% - протяженность площадки текучести).

Развитие деформаций происходит в результате малого упругого деформирования и больших необратимых сдвигов по плоскостям скольжения зерен феррита. Поэтому после снятия нагрузки упругая часть деформаций возвращается (линия разгрузки идет параллельно линии нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям.

Дальнейшее развитие деформаций изделия затрудняется более прочными и жесткими зернами перлита. Для образования общих плоскостей сдвига в образце сдвиги в отдельных зернах феррита должны обтекать зерна перлита или раскалывать слабые их участки, для чего необходимо повышение напряжений.

Стадию работы материала, при которой происходит повышение сопротивления внешним воздействиям, называют стадией самоупрочнения. В этой стадии материал работает как упругопластический.

Растяжение образца в продольном направлении сопровождается поперечными деформациями сужения, которые при подходе к временному сопротивлению начинают концентрироваться в наиболее слабом месте, образуя шейку, по которой происходит разрыв.

За предел текучести у сталей высокой и повышенной прочности принимается условный предел текучести, соответствующий остаточному удлинению 0.2%.

У углеродистой стали марки Ст3 запас от предела текучести до временного сопротивления σ_т/σ_в=0.6, у высокопрочных σ_т/σ_в>0.75, что ограничивает их использование в упругопластической стадии.

Лекция №5