Свойство металла сплава называемое жаропрочностью это способность

Что называется износостойкостью радиационной стойкостью?

Понятие о конструкционной прочности металлов

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации.

Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени). В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются предел текучести – σ_0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2 %) и временное сопротивление (предел прочности) — σ_в, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Механические свойства, установленные испытанием на растяжение, не могут служить достаточной характеристикой прочности металлов из-за значительных различий между условиями испытаний и работы в реальной машине. Наиболее полно конструкционная прочность металлов может быть выявлена при проведении помимо механических, проведением ещё стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний.

Понятия надежности (сопротивления разрушению) и долговечности (способности разрушаться за многие акты нагружения) существуют применительно и к металлам.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a_k, МДж/м 2 ), т. е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К1с, МПа×мм 1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность– свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного ресурса. Причины потери работоспособности разнообразны: развитие усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и др. Работоспо-собность конструкционных материалов зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как: сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивление износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний

Контрольные вопросы

Что называется конструктивной прочностью материалов?

Какие свойства характеризуют конструктивную прочность материалов? 3. Какие характеристики материалов являются критериями прочности?

Как определяются прочностные характеристики материалов?

Являются ли механические свойства материалов, выявленные испытаниями на растяжение, достаточной характеристикой прочности? Если нет, то какие ещё проводят испытания?

Что понимается под надёжностью материалов?

Что характеризует долговечность изделий?

Какие могут быть причины потери работоспособности изделий?

Теоретическая и техническая прочность.

Методы упрочнения металлов

Прочность — это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Поэтому увеличению прочности придают первостепенное значение, стремясь одновременно обеспечить и достаточную пластичность.

Теоретическая прочность металлов выражается формулой

где G—модуль сдвига, представляющий собой коэффициент пропорцио-нальности между касательным напряжением τ и относительным сдвигом ε.

Числовые значения модуля сдвига G следующие: для железа — 77 000 МПа, для меди — 44 000 МПа, для алюминия—27000 МПа.

Техническая прочность металлов, определяемая значениями механичес-ких свойств σ_в, σ_т и др., значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств (дефектов).

Повысить прочность металла — значит продлить жизнь машин, обору-дования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.

На рис. 1. 32приведены методы, используемые в практике для повыше-ния прочности металлов и сплавов. Все современные методы упрочнения металлов направлены на создание условий торможения дислокаций за счет увеличения их плотности, взаимо-действия дислокаций с атомами легирующих элементов, измельчения блоков, образования дисперсных частиц карбидов, нитридов и т. п. К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханическую обработки, деформационное упрочнение и др.

Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. Например, почти бездислокационные нитевидные кристаллы (усы) железа имеют прочность σ_в=13000 МПа, а техническое железо — только 300 МПа. Вторым фактором повышения прочности металлов является увеличение количества (повышение плотности) различных дефектов, в том числе и дислокаций (об этом см. раздел 4, с.44).

Рис. 1.32. Классификация методов упрочнения металлов

Рассмотрим два случая влияния легирования на прочность металлов.

Первый — когда в результате взаимодействия легирующего элемента с основным металлом образуется твердый раствор на базе решетки основного металла.

Второй — когда легирование приводит к образованию новой, более прочной фазы. Если эта фаза выделяется в виде сетки по границам зёрен или в виде скелетообразного каркаса, то такое распределение второй фазы снижает вязкость и пластичность материала. В случае высокой хрупкости второй фазы, расположенной по границам зерен, создаются условия для ускоренного распространения хрупких трещин в материале. Предпочтительнее, когда вторая фаза располагается в виде равномерно распределенных дисперсных частиц.

Возможность применения упрочняющей термической обработки определяется в основном типом диаграмм состояния и зависит от раство-римости легирующих элементов в металле ‒ основе, а также аллотропических превращений в металлах. Существует много способов упрочнения за счет термической обработки, которые отличаются друг от друга температурой нагрева и условиями охлаждения. В качестве примера можно привести результаты термической обработки углеродистой стали с исходной твердостью 150. 200 НВ. После термической обработки (закалки) ее твердость увеличивается в 2,5. 3 раза.

Химико-термическая обработка является одним из методов поверхностного упрочнения стали. При этом изменяется химический состав, строение и свойства поверхностного слоя металла. В результате такой обработки повышаются твердость, предел выносливости, износостойкость, контактная прочность и др. Например, известно, что многие детали машин и механизмов (зубчатые колеса, валы, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.) работают в условиях износа и ударных нагрузок. Для таких деталей требуются твердая износостойкая поверхность и сравнительно мягкая сердцевина.

Упрочнение пластической деформацией (обкатка роликами, обдувка дробью и др.) используют главным образом в тех случаях, когда сплавы по каким-либо причинам не могут быть упрочнены термической обработкой.

Высокую прочность при достаточной пластичности можно получить при термомеханической обработке, которая заключается в том, что в едином технологическом процессе сочетаются деформация и закалка. В ряде случаев при этом наряду с повышением временного сопротивления s_В при растяжении значительно увеличивается предел текучести s_Т (в 1,5. 2 раза).

Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокие давления, ионная имплантация и т. д.

Одним из путей повышения прочности является получение компози-ционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии.

По прогнозам материаловедов в ближайшие годы могут быть созданы специальные сплавы и стали с пределами прочности 3500. 6000 МПа, а легкие сплавы —1000. 1500 МПа, что значительно приблизит их техническую прочность к теоретической.

Контрольные вопросы………………………………………………

Что называется прочностью?

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-28; Нарушение авторского права страницы

Как было отмечено, жаропрочность тем выше, чем выше силы межатомных связей и прочность (кратковременная) при данной температуре.

В соответствии с этим очевидно, что чем выше температура плавления сплава (которая в первую очередь определяет силы межатомных связей), тем больше должна быть жаропрочность сплава.

Из данных диаграммы, приведенной на рис. 330 можно заключить также, что чем выше температура плавления, тем выше жаропрочность металла.

Температура плавления определяет, как указывалось ранее, температуру рекристаллизации, а процессы рекристаллизации и происходящие при этом разупрочнения определяют скорость ползучести и жаропрочность.

Температуры плавления и рекристаллизации функционально связаны уравнением:

где а — коэффициент, зависящий от состава и структуры сплава. Для очень чистых металлов а для металлов обычной чистоты а а для концентрированных твердых растворов

Отсюда следует, что в качестве жаропрочных сплавов следует применять твердые растворы, в первую очередь с элементами, которые повышают температуру рекристаллизации.

Подобное легирование сплава в пределах образования твердого раствора повышает общий уровень прочности при всех температурах и это, как правило, повышает жаропрочность (в пределах полосы указанной на рис. 330).

Однако этим роль легирования не исчерпывается. Существенное значение имеет не только получение высококонцентрированного твердого раствора элементов, повышающих Трекр, но и получение пересыщенного раствора, способного к дополнительному упрочнению за счет дисперсионного твердения.

Однако рост, т. е. коагуляция выделившихся частиц при работе длительное время при высокой температуре снимает эффект старения.

Отсюда можно сделать выводы:

1) если сплав предназначен для сравнительно краткосрочной службы, желательно иметь в нем высокодисперсное распределение второй фазы, получаемое обычной термической обработкой: закалка и старение при температуре, близкой к рабочей температуре. В данном случае важное значение приобретает скорость коагуляции второй фазы, приводящей к разупрочнению: чем быстрее протекает этот процесс, тем короче срок службы сплава и тем ниже его рабочая температура. Более сложный состав сплава и, особенно выделяющейся фазы, обеспечивает высокое значение жаропрочности, 2) если сплав предназначен для длительной службы, то большую роль получает так называемая структурная стабильность. Для длительной службы следует выбрать сплав, не склонный к дисперсионному твердению.

Мы рассмотрели легирование элементами, обладающими значительной растворимостью в основном металле. В случае внесения в сплав элементов, малорастворимых в основном металле, упрочнения, обусловленного легированием твердого раствора и процессами дисперсионного твердения, не наблюдается.

При легировании значение приобретает температура плавления эвтектик. Так, на рис. 332 оба компонента (В и С) мало растворяются в металле А, но сплав с компонентом. В образует эвтектику с температурой плавления, значительно превышающей рабочую температуру, тогда как сплав с компонентом С образует эвтектику, плавящуюся вблизи рабочей температуры. Следовательно, наличие

компонента С отрицательно влияет на жаропрочность сплава и этот компонент следует рассматривать как вредную примесь.

Поэтому очистка сплава (соответствующими металлургическими приемами, а также использованием чистой шихты) от вредных примесей, образующих легкоплавкие фазы и эвтектики, — важное средство повышения жаропрочности сплава. Такими вредными примесями являются примеси легкоплавких металлов, например олово, свинец, сурьма, а также сера и примеси других элементов, образующих легкоплавкие эвтектики или соединения, которые располагаются по границам зерен и резко снижают жаропрочность. Некоторые элементы устраняют влияние вредных примесей, вступая с ними в химическое соединение и образуя более тугоплавкие соединения. Таково, например, действие церия в никелевых сплавах.

Если основа жаропрочного сплава имеет несколько аллотропических модификаций, то существенное значение приобретает получение основы модификации с более высокой температурой рекристаллизации. Известно, что сплав с гранецентрированной кубической решеткой (г. ц. к.), обладает более высокой температурой рекристаллизации, чем сплав, близкий по составу с объемноцентрированной кубической решеткой (о. ц. к.), т. е. устенитная структура обладает большей жаропрочностью, чем ферритная. По-видимому, это связано с большой плотностью гранецентрированной решетки. В соответствии с этим сплавы на основе (решетка г. ц. к.) являются более жаропрочными, чем сплавы на основе (решетка о. ц. к.).

Наконец, жаропрочность зависит от размера зерна. Более крупное зерно повышает жаропрочность (А. М. Борздыка), хотя при этом часто пластичность снижается.

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться при высоких температурах деформации и разрушению от воздействия рабочих напряжений

Жаропрочные сплавы способны длительное время сопротивляться ползучести и разрушению. Ползучесть металлов объясняется в настоящее время как суммарный результат многих видов деформации, являющейся следствием относительного перемещения атомов.

Академик А. А. Бочвар указывает на возможность свести любой тип пластической деформации к процессам диффузии, определяемым температурой.
Если температуры низки, то под действием напряжений преобладающее значение приобретают виды деформации с ограниченным развитием диффузионных процессов, т. е. деформации сдвига или двойникования, проходящие по зерну.

По мере повышения температуры преимущественное развитие приобретают виды деформации, связанные с диффузией, особенно легко протекающей в зонах, расположенных по границам зерен.

Поскольку пластической деформации и разрушению способствуют диффузионные процессы, удовлетворительное решение проблемы жаропрочного сплава связано с подавлением (замедлением) в нем диффузии. Ослабление диффузионных процессов ведет к торможению фазовых превращений, стабилизации микроструктуры и, следовательно, к обеспечению наиболее длительного сохранения механических свойств при воздействии высоких температур и напряжений.

При компоновке жаропрочного сплава полезно соблюдать ряд условий:

1. В качестве основы сплава выбирать металл с высокой прочностью межатомной связи и с высокой температурой рекристаллизации.

2. Путем рационального легирования увеличивать прочность межатомной связи и поднимать температуру рекристаллизации сплава.

3. Соблюдая необходимые режимы обработки, придавать сплаву структуру, в наибольшей степени препятствующую протеканию диффузии и способствующую росту сопротивления пластической деформации и разрушению.

О прочности межатомной связи в металле можно косвенно судить по температуре его плавления, так как с ростом межатомного сцепления обычно увеличивается и температура плавления. Температура рекристаллизации также связана прямой зависимостью с температурой плавления. Поэтому в качестве основы для жаропрочных сплавов следует выбирать наиболее тугоплавкие металлы.

Лучшие жаропрочные сплавы на железной, никелевой и кобальтовой основе способны удовлетворительно работать до 100 ºС . С большими ограничениями их можно использовать до 1000 ºС. Если оценить предельную рабочую температуру современных жаропрочных сплавов, то окажется, что она равна примерно 60—75% абсолютной температуры плавления. Возможный рост рабочей температуры ограничивается для этих сплавов несколькими десятками градусов ввиду все большего приближения к температуре плавления и все более значительной потери прочности.

В переводе на шкалу Цельсия такие металлы, как никель, кобальт и железо, имеют близкие температуры начала рекристаллизации, лежащие в пределах 420-450 ºС. В то же время современные жаропрочные сплавы на основе названных металлов имеют порог рекристаллизации около 1000 ºС. Таков эффект легирования, замедляющего диффузионные процессы и тормозящего процесс рекристаллизации. Замедление разупрочнения при высоких температурах, вызываемое легированием, должно обезопасить сплав от чрезмерной ползучести и разрушения. Между тем процесс ползучести и характер разрушения зависят от температуры и условий нагружения. Разрушение, как известно, может носить межкристаллитный и внутрикристаллитный характер. Разрушение металлических материалов при низких температурах и больших скоростях деформации обычно протекает по зерну, а при высоких температурах и малых скоростях деформации — по границе зерна. Это указывает на необходимость упрочнения границ и пограничных зон. При этом задача правильного легирования состоит в том, чтобы упрочнить и тело зерна и его границы, придав им равнопрочность в условиях длительного нагружения при высоких температурах. Теория и практика легирования говорят о том, что возможности для этого имеются.

Различные элементы по-разному легируют тело зерна и пограничные его области. Так, например, вольфрам в никелевых сплавах располагается главным образом внутри зерна, а молибден — по его границе. Поэтому способом воздействия на границы зерен является легирование сплавов примесями (молибден, ниобий, цирконий и др.), способными обогащать пограничные области и границы зерна и упрочнять их. Имеются также поверхностно-активные легирующие примеси (например, бор и др.), располагающиеся в пограничных областях зерна и чрезвычайно эффективно влияющие на упрочнение сплава.

Причиной малой высокотемпературной прочности часто является загрязнение сплава легкоплавкими примесями, склонными скапливаться в пограничных слоях и на границах зерен (кислород, сера, фосфор, водород, сурьма, олово, свинец и др.). Такие поверхностно-активные примеси, как бор, способны, сами скапливаясь в пограничных слоях и на границах зерна, препятствовать скоплению в этих местах вредных примесей. Введение малых («гомеопатических») добавок бора поэтому производит весьма эффективное действие на повышение жаропрочности.

Для легирования жаропрочных сплавов на железной, никелевой и кобальтовой основах могут быть использованы: углерод, кремний, марганец, никель, кобальт, хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан, алюминий, азот, бор и некоторые другие элементы. При легировании наилучший эффект повышения жаропрочности достигается введением значительного числа компонентов.

Такое легирование дает усложнение и искажение пространственной решетки и затрудняет протекание диффузионных процессов в твердом растворе.
Легирование создает лишь благоприятную предпосылку для получения жаропрочного сплава. Желаемый эффект упрочнения достигается в результате обработки и получения структуры, в наибольшей мере ограничивающей развитие диффузии и обеспечивающей высокие показатели жаропрочности за счет создания большого количества дислокаций и благоприятного их распределения.

Жаропрочные сплавы имеют структуру, основу которой составляет насыщенный твердый раствор аустенитного типа. Твердые растворы ферритного типа обладают по сравнению с аустенитными худшими показателями жаропрочности. Основа твердого раствора выбирается по характеру и размеру атомов, типу и размеру пространственной решетки. Большинство легирующих элементов, имеющих атомы, близкие по размеру к атомам основы, образуют с нею аустенитный твердый раствор по типу замещения. Легирующие элементы, имеющие атомы малого размера (С, N, В), дают растворы внедрения.

Помимо атомной структуры свойства сплава зависят также от его микроструктуры.
Однако наиболее важным является влияние так называемых упрочняющих фаз, образуемых при взаимодействии легирующих элементов с основой сплава и между собой. Упрочняющее влияние этих фаз зависит от характера взаимодействия их с твердым раствором, от числа фаз, степени их раздробления и характера залегания по зерну или по границе зерна твердого раствора. Независимо от числа и многообразия упрочняющих фаз часто их объединяют общим наименованием «вторая фаза».