Рис. 1.14. Зависимость напряжений сдвига от плотности дислокаций
Рис. 1.15. Микростурктура стали в месте прохождения плоскости сдвига
В окрестностях дефектов кристаллическая структура искажается и создаются поля внутренних уп-ругах напряжений.
Наибольшее влияние на механические свойства металла оказывают линейные структурные дефекты, называемые дислокациями.
Если при сдвиге одной части идеального кристалла по другой необходимо преодолеть силы межатомного сцепления между всеми атомами по плоскости скольжения, то в кристалле с нарушенной структурой перемещение происходит за счет смещения отдельных групп атомов (см. рис. 1.13,а) и требуемое усилие значительно меньше.
Прочность монокристалла зависит от плотности дислокаций и числа дислокаций на единицу объема (рис. 1.14). С увеличением числа дислокаций прочность кристалла (зерна) падает.
Однако при большой плотности дислокации начинают взаимодействовать друг с другом, затрудняя перемещения, и прочность снова возрастает.
Для повышения прочности материалов можно идти двумя путями: первый - уменьшение числа дефектов кристаллической структуры и приближение к идеальной структуре; второй - направленное изменение кристаллической решетки и повы-например с помощью легирования, пред-
шение плотности дислокации, варительной пластической деформации и т.д.
При поликристаллическом строении границы зерен создают дополнительные препятствия движению дислокаций.
Кроме феррита в структуру стали входит перлит, обладающий более высокой прочностью (см. рис. 1.5) и тормозящий движение дислокаций, что способствует увеличению сопротивления пластическим деформациям и повышению прочности стали.
Свойства монокристалла различны по разным направлениям. При большом числе хаотично ориентированных кристаллов сталь ведет себя как изотропный материал. Однако в объеме металла всегда находятся плоскости, совпадающие по направлению с площадками действия главных касательных напряжений, на которых большинство кристаллов ориентировано бла-
гоприятно для сдвига. Когда напряжения достигают предела текучести, по этим отдельным плоскостям и происходит пластическое течение (рис. 1.15). Между плоскостями интенсивного течения материал находится или в упругом состоянии, или слабо затронут пластичностью. На поверхности металла плоскости интенсивного течения образуют линии Людерса-Чернова.
Накопление больших пластических сдвигов может привести к зарождению трещины, развитие которой в конечном итоге вызывает разрушение материала.
При вязком разрушении остаточная пластическая деформация достигает нескольких десятков процентов.
Если развитие пластических сдвигов затруднено, то дислокации, скапливаясь у препятствий, сливаются вместе и образуют микротрещину. Упругая энергия, освободившаяся при образовании трещины, способствует ее распространению. Если сопротивление развитию трещины велико, например, в пластичном металле, трещина может остановиться, "завязнуть". В противном случае она может увеличиваться и привести к лавинообразному разрушению тела.
Таким образом, хрупкое разрушение происходит в три стадии: зарождение микротрещины, увеличение ее до критических размеров и лавинообразное распространение и разрушение материала. При этом, в отличие от вязкого разрушения, хрупкое разрушение происходит при малых общих деформациях.
Диаграммы работы материала при вязком и хрупком разрушении показаны на рис. 1.11, г.
Основными факторами, способствующими хрупкому разрушению стали, являются:
величина зерна (крупнозернистая сталь более склонна к хрупкому разрушению, чем мелкозернистая);
повышенное содержание вредных примесей (фосфор, сера, азот, кислород, водород и т.д.);
старение;
наклеп;
низкая температура эксплуатации;
наличие поля однозначных растягивающих напряжений; концентрация напряжений; динамический характер воздействий; толщина проката.
1.4.2. Работа стали при одноосном растяжении. Работу стали при одноосном напряжении можно проследить по испытанию образца на растяжение (рис. 1.16).
В стадии I до предела пропорциональности ё р связь между напряжениями и деформациями подчиняется закону Гука (1.1) - это стадия упругой работы. Деформации происходят за счет упруговозвратных искажений кристаллической решетки и исчезают после снятия нагрузки.
При дальнейшем увеличении нагрузки (стадия 2) появляются отдельные сдвиги в зернах феррита, дислокации начинают скапливаться около границ зерен; прямая пропорциональность между напряжениями и деформациями нарушается (участок упругопластической работы между &р и hy). Последующее увеличение напряжений приводит к интенсивному движению
i ~ ВОЗВРАТНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ ">ОСТАТ0ЧНЫЕ~ДЕ»ОРМДЦИИ
- ПОЛНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ
Рис. 1.16. Диаграмма растяжения стали и образование шейки
дислокаций и увеличению их плотности, развитию линий сдвига в зернах феррита; деформации растут при постоянной нагрузке. На диаграмме появляется площадка текучести (стадия 3).
Протяженность площадки текучести низкоуглеродистых и некоторых низколегированных сталей составляет 1,5-2,5%.
Развитие деформаций происходит в результате упругого деформирования и пластических необратимых сдвигов. При снятии нагрузки упругая часть деформации исчезает (линия разгрузки идет параллельно упругой части линии нагрузки), а необратимая остается, приводя к остаточным деформациям.
Дальнейшее развитие деформации сдерживается у границ зерен. Линии сдвига искривляются, движение дислокации затрудняется, и рост деформаций возможен только при увеличении нагрузки (стадия самоупрочнения). В этой стадии (стадия 4) материал работает как упругопластический.
При напряжениях, близких к временному сопротивлению (ёи), продольные и поперечные деформации локализуются в наиболее слабом месте, и в образце образуется шейка. Площадь сечения в шейке интенсивно уменьшается, что приводит к повышению напряжений в месте сужения, поэтому, несмотря на то что нагрузка на образец снижается, в месте образования шейки нарушаются силы межатомного сцепления и происходит разрыв.
На диаграмме (см. рис. 1.16) напряжения получены путем деления нагрузки на первоначальную площадь сечения. Истинная диаграмма растяжения (при напряжениях с учетом уменьшения площади сечения) не имеет нисходящей части.
Площадка текучести свойственна сталям с содержанием углерода 0,1 - 0,3%. При меньшем содержании углерода перлитовых включений мало, и они не могут оказать сдерживающего влияния на развитие сдвигов в зернах феррита.
В высокопрочных сталях при большом числе включений развитие сдвигов полностью блокируется, и они также не имеют площадки текучести. Условный предел текучести для таких сталей устанавливается по остаточному удлинению, равному 0,2%.
