КАФЕДРА ТЕРМООБРАБОТКИ И ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ
Механические свойства материалов Авторы курса лекций: Хотинов Владислав Альфредович, к. т. н. , доцент кафедры термообработки и физики металлов УГТУ-УПИ Пышминцев Игорь Юрьевич, д. т. н. , профессор кафедры термообработки и физики металлов УГТУ-УПИ Екатеринбург 2008
Модуль 3. Конструкционная прочность материалов Лекция 1. Понятие о высокопрочном состоянии. Теоретическая прочность при сдвиге и отрыве. Нитевидные кристаллы и их прочность. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности стали по параметрам структуры. Анализ применимости механизмов упрочнения к сталям и сплавам. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов. Классификация гетерогенных материалов и их механическое поведение. 3
Изучение теоретической части Модуля 3 даёт знания § о высокопрочном состоянии материалов разного типа и способах его достижения; § о процессе деформационного упрочнения монои поликристаллических материалов; § об оценке конструктивной прочности стали по параметрам структуры. § о механическом поведении гетерогенных материалов. 4
Лекция 1. Высокопрочное состояние материала (2 ч. ) Цели изучения – рассмотрение понятия «высокопрочное состояние» для разных видов материалов.
Высокопрочное состояние материала Прочность – способность материалов сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок. Высокая прочность сплавов Характеристики прочности в, т ( 0, 2) – собственно прочность Вязко-пластические характеристики δ, ψ, KCU, KCV, КСТ, Тхр (Т 50), KIc Временное сопротивление в характеризуется сопротивлением материала значительным пластическим деформациям. При в увеличиваются другие прочностные характеристики, но снижаются параметры, определяющие пластичность и вязкость материала. В этом случае материал может разрушаться при малых нагрузках вследствие образования хрупкой трещины. Например, изделия, работающие в условиях знакопеременных нагрузок (усталости), могут разрушаться при напряжениях ниже временного сопротивления. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 6
Высокопрочное состояние материала Поэтому надежность сплава в конструкции или изделии, как правило, не может быть оценена какой-либо одной характеристикой механических свойств. Ее характеризуют конструктивной (конструкционной) прочностью комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационной прочностью изделия или конструкции. Для каждого изделия или группы изделий в зависимости от условий экплуатации этот комплекс свойств будет включать различные критерии механических свойств. Конструктивную прочность необходимо связывать с различными видами нарушения прочности. Основные виды нарушения прочности: q текучесть или чрезмерная пластическая деформация, q вязкое и хрупкое разрушение, q усталость, q потеря устойчивости, q ползучесть или замедленное разрушение. Поэтому нужно различать высокопрочное состояние по отношению к каждому из видов нарушения прочности. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 7
Высокопрочное состояние материала Диаграмма конструктивной прочности конструкционных МАС – метастабильные аустенитные стали; сталей СМЗ – стали со сверхмелким зерном; ТМО – стали после термомеханической обработки; МСС – мартенсито-стареющие стали; КЛС – конструкционные легированные стали (0, 3 -0, 6 %С); НЛС – малоуглеродистые низколегированные стали (<0, 2%С); ПП – эвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Рис. 1. Хорошее сочетание прочности и вязкости разрушения – MAC, СМЗ, ТМО, МСС, однако высокое легирование и сложная термообработка обусловливают большую стоимость изделий из них. Для КЛС – высокая прочность, но низкая вязкость, для НЛС – высокая вязкость, но низкая прочность, т. е. в обоих случаях низкая конструктивная прочность. Рациональное сочетание упрочнения и затрат должно оцениваться в каждом отдельном случае, исходя из выгод, получаемых от повышения надежности и долговечности изделий. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 8
Высокопрочное состояние материала Понятие «высокопрочный сплав» относительно. Высокопрочные машиностроительные стали Высокопрочные титановые сплавы в ≥ 1600 МПа, т ≥ 1400 МПа т ≥ 400 МПа в ≥ 1000 МПа Стали с карбонитридным упрочнением после контролируемой прокатки, низколегированные стали после закалки и отпуска и др. Высокопрочные алюминиевые сплавы Конструкционные стали после закалки и низкого отпуска, легированные дисперсионнотвердеющие с карбидным упрочнением, мартенситно-стареющие и др. в ≥ 400 МПа Повышение прочности сплава, используемого для изготовления тех или иных конструкций и изделий, позволяет повысить их надежность и долговечность, а во многих случаях уменьшать сечение элементов конструкций и, следовательно, их массу. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 9
Высокопрочное состояние материала Например, увеличение предела текучести, являющегося основной расчетной характеристикой при проектировании металлоконструкций, с 250 МПа (углеродистая сталь Ст. З) до 400 -450 МПа (низколегированная сталь 16 Г 2 АФ) позволяет снизить расход металла на 30 -50 %. 1 – пролетные строения; 2 – элементы конструкций; 3 – поперечники зданий. Рис. 2. Высокие значения прочности сталей и сплавов достигаются применением новых материалов и технологий обработки. При этом происходит изменение структуры сплава (типа, количества, размера фаз; плотности, характера и распределения дефектов кристаллического строения и т. п. ). Поэтому необходимо устанавливать корреляцию между свойствами и структурой сплавов, а не между свойствами и технологией (или составом). Установление подобной корреляции возможно лишь на основе знаний механизмов упрочнения сплавов. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 10
Высокопрочное состояние материала в Рис. 3. Минимальная прочность для монокристалла железа высокой степени чистоты близка к рассчитанному напряжению Пайерлса-Набарро для решетки α-железа (17 МПа). По мере увеличения концентрации примесей (легирования) и применения все более сложных обработок достигнут уровень прочности около 5000 МПа (тонкая проволока). Максимальная прочность достигнута в настоящее время для бездефектных нитевидных кристаллов (усов). Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 11
Высокопрочное состояние материала Теоретическая прочность при сдвиге Прочность рассчитывается исходя из взаимодействия атомов в идеальной кристаллической решетке металла. A' B' C' D' теор h A b B C D 1/2 b 1/4 b b/2 3/4 b b x x Рис. 4. Допущение - учитывается взаимодействие атомов А–А', А'–В, В–В', В'–С и т. п. и не учитывается взаимодействие атомов А–В, В–С, А'–В' и т. п. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 12
Высокопрочное состояние материала 1. Изменение напряжения является периодической функцией с периодом x=b. Приняв синусоидальный закон распределения напряжения, получим τ = k∙sin (2 x/b). (1) 2. При малых смещениях, т. е. х=0, b/2, b и т. д. , можно принять τ = k∙(2 x/b). (2) 3. Так как рассматривается чисто упругое взаимодействие атомов, то в этом случае соблюдается закон Гука, т. е. τ = G (x/h). (3) 4. Приравнивая (2) и (3), получаем k = Gb/2 h. (4) 5. Следовательно, τ = (Gb/2 h)∙sin (2 x/b). (5) 6. τmax достигается при x = b/4, 3/4 b, 5/4 b и т. д. – в этом случае sin (2 x/b)= sin ( /2)= 1. Тогда τmax= Gb/2 h = τтеор. (6) 7. Для металлов с кубической решеткой можно ориентировочно принять h ≈ b, тогда τтеор = G/2 ≈ 0, 15 G. (7) Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 13
Высокопрочное состояние материала Теоретическая прочность некоторых металлов при сдвиге Металл реал , ГПа G, ГПа теор , ГПа Fe 20, 0 84, 0 12, 6 Прочность реальных W – 154, 0 23, 1 монокристаллов метал. Cu 1, 0 46, 0 6, 9 лов составляет около (10 Ag 0, 6 29, 0 4, 3 -3– 10 -4)G, что на 2– 3 Au 0, 9 28, 0 4, 2 порядка меньше теорети. Al 2, 0 27, 3 4, 1 ческой прочности. Zn 0, 95 39, 2 5, 9 Теоретическая прочность при отрыве x Допущение – учитывается взаимодействие пар атомов А–А', В–В' и т. п. и не учитываются связи В– А', А–В и т. п. max a 0 x a x Рис. 5. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 14
Высокопрочное состояние материала 1. Кривую на рис. 5 можно аппроксимировать синусоидой σ = k∙sin /a (x – а 0). (1) 2. При малых деформациях, т. е. при (x – а 0)→ 0, справедлив закон Гука dσ = E∙(dx/a 0) или E = a 0∙(dσ/ dx). (2) 3. Подставив уравнение (1) в выражение (2), получим E = k ∙(a 0/a)∙cos /a (x – а 0). (3) 4. При (x – а 0)→ 0: cos /a (x – а 0)=1, тогда k = E/ ∙(a 0/a). (4) 5. С другой стороны площадь под кривой характеризует энергию, затраченную на образование двух новых поверхностей раздела, т. е. равна 2. Тогда. (5) 6. Подставив уравнение (1) в выражение (5) и проинтегрировав, получим a = ∙/k. (6) 7. Максимальная прочность при отрыве согласно уравнению (1) достигается при sin /a (x – а 0)=1. Следовательно, σ теор = k = E/ ∙(a 0/a). (7) 8. Подставив (6) в (7), получим. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. (8) 15
Высокопрочное состояние материала Приблизительно теоретическую прочность при отрыве можно оценить как σтеор = E/10. Значения теоретической прочности при отрыве значительно больше соответствующих значений прочности при сдвиге. Например, для железа в направлении 100 – 30 ГПа, 111 – 46 ГПа, для меди в направлении 111 – 39 ГПа, 100 – 25 ГПа, для алюминия в направлении 111 – 12, 9 ГПа. Нитевидные кристаллы (усы) – тонкие монокристаллы нитевидной формы и в настоящее время являются единственным материалом, прочность которого приближается к теоретической. Зависимость прочности нитевидных кристаллов железа (а) и меди (б) от их диаметра Рис. 6. Механические свойства материалов. Лекция 1. Высокопрочное состояние материала. 16
Лекция 2. Оценка конструктивной прочности (2 ч. ) Цели изучения – изучение принципов оценки конструктивной прочности материала и ее примеров.
Суперпозиции механизмов упрочнения Знание рассмотренных ниже отдельных механизмов упрочнения позволяет провести количественную оценку предела текучести и изменения температуры вязко-хрупкого перехода некоторых сплавов и сопоставить расчетные данные с экспериментальными. В уравнении Холла–Петча σт = σi +Кyd-1/2 заложена линейная аддитивность между внутризеренным упрочнением (σi ) и зернограничным упрочнением (Δσ3 = Кyd-1/2). В свою очередь внутризеренное упрочнение данного сплава, т. е. его предел текучести без учета вклада границ зерен, можно представить также состоящим из нескольких слагаемых, каждое из которых обусловливает вклад в него того или иного механизма упрочнения. Принцип аддитивности механизмов к настоящему времени подтвержден на многих сталях и сплавах различными исследователями. В большинстве случаев отмечается линейная аддитивность, т. е. вклад отдельных механизмов в общее упрочнение суммируется. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 18
Суперпозиции механизмов упрочнения дисперсионное упрочнение Δσд. у зернограничное упрочнение Δσз напряжение трения решетки σт σ0 Δσд Δσт. р дислокационное упрочнение твердорастворное упрочнение Рис. 7. В различных сталях и сплавах вклад одного и того же механизма упрочнения в предел текучести может быть различным. Кроме того, каждый из механизмов может воздействовать на материал по разным причинам. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 19
Суперпозиции механизмов упрочнения В соответствии с принципом линейной аддитивности внутризеренное упрочнение для перечисленных главных механизмов составит σi =σ0+Δσт. р+Δσд. у. , а предел текучести поликристаллического сплава σт =σ0+Δσт. р. +Δσд+ Δσд. у. +Δσз. Однако препятствия в реальных материалах расположены неравномерно, т. е. плотность их расположения различная в разных местах. Различаются препятствия и по величине воздействия на движущуюся дислокацию. В этом случае возможны два случая: Ш наличие большого числа слабых препятствий и небольшого числа сильных препятствий, т. е. σ1 >> σ2 → σi =σ1+σ2 Ш одинаковая плотность примерно равнопрочных препятствий, т. е. 2 2 2 σ1 ≈ σ2 → σi =σ1 +σ2. Напряжение трения решетки. Сопротивление решетки движению свободных дислокаций, или напряжение Пайерлса–Набарро, в первом приближении может быть сопоставлено с пределом текучести монокристалла металла. Однако эта величина существенно зависит от содержания примесей в металле. σ0 = 2· 10 -4 G, где G – модуль сдвига. Для железа G = 84 ГПа, тогда σ0 = 16, 8 ≈ 20 МПа. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 20
Суперпозиции механизмов упрочнения При расчете предела текучести принимаемые значения σ0 должны быть несколько большими, если учесть, что в твердом растворе всегда растворено некоторое количество примесей внедрения (~10 -2 %(C+N)) и имеются дефекты кристаллического строения. С учетом литературных данных можно принять в расчетах для сталей на основе α-железа значение σ0 = 30 МПа. Твердорастворное упрочнение. Упрочнение твердых растворов при легировании обусловлено разницей атомных диаметров и разностью модулей упругости атомов матрицы и растворенных легирующих элементов. При расчете твердорастворного упрочнения легированного феррита пользуются формулой: Δσт. р. = 4670·(C+N)+690·P+86·Si+82·Ti+60·Al+39·Cu+ +33·Mn+31·Cr+30·Ni+11·Mo+3·V, где символы элементов C, N, P и т. д. означают их концентрацию в масс. % при растворении в феррите. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 21
Суперпозиции механизмов упрочнения Дислокационное упрочнение. Пластическая деформация металлов сопровождается образованием новых дислокаций, их определенным распределением, увеличением плотности. Возникающее при этом упрочнение определяют по формуле Δσд=α·М·G·b·ρ1/2. Увеличение прочности сталей за счет дислокационного упрочнения ρ, см-2 108 109 1010 1011 1012 Δσд, МПа 10 30 100 300 1000 После нормализации либо при охлаждении на воздухе из аустенитного состояния после горячей прокатки (горячекатаное состояние), плотность дислокаций обычно не превышает 109 см-2 и чаще всего составляет около 108 см-2. Максимальная плотность дислокаций при деформационном упрочнении или мартенситном превращении может достигать 1012 см-2. Известно, что при одинаковой плотности дислокаций дислокационное упрочнение аустенитных сталей и сплавов будет значительно более сильным, чем ферритных сталей, поэтому для таких материалов компоненту Δσд необходимо учитывать всегда, так как ее вклад заметен и при плотности дислокаций 108– 109 см-2. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 22
Суперпозиции механизмов упрочнения Дисперсионное упрочнение. Оценка вклада дисперсионного упрочнения не может быть проведена одним и тем же методом для различных сталей и сплавов, так как в них могут действовать различные механизмы дисперсионного упрочнения. Для конструкционных сталей наилучшее совпадение с результатами эксперимента дает оценка дисперсионного упрочнения по механизму Орована – взаимодействие дислокаций с некогерентными частицами М – фактор ориентации, G – модуль сдвига, b – вектор Бюргерса, l – расстояние между частицами - средний размер частиц, Ф – коэффициент, характеризующий тип взаимодействующих с частицами дислокаций. дислокационные петли Рис. 8. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 23
Суперпозиции механизмов упрочнения Методами количественной металлографии можно определить параметры упрочняющих частиц – их средний размер , расстояние между ними λ и объемную долю f, и оценить вклад дисперсионного упрочнения стали. В многофазных материалах (например, в сталях с феррито-перлитной структурой) приложении нагрузки деформация начинает развиваться в более «мягкой» фазе (феррит), а более твердые образования других фаз (перлитные колонии) являются «барьерами» для такой деформации. Поэтому при расчете вклад каждой из фаз в общее упрочнение разделяют согласно их объемной доли и уровня свойств. Так при анализе феррито-перлитной структуры (с содержанием феррита 50% и более) выделяют перлитную составляющую Δσп σП =2, 4·%П Рис. 9. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 24
Суперпозиции механизмов упрочнения Номограмма для определения зернограничного упрочнения стали по размеру зерна Зернограничное упрочнение, т. е. повышение прочности за счет границ зерен, являющихся барьерами для продвижения дислокаций из одного зерна в другое, характеризуется вторым членом уравнения Холла– Петча: Δσз = Кyd-1/2. При этом имеется в виду, что разориентировка между зернами большеугловая. При Ку = 0, 6 МПа·м 1/2 размер зерна феррита d ≈ 100 мкм → Δσз = 60 МПа, d ≈ 10 мкм → Δσз = 200 МПа, d ≈ 1 мкм → Δσз ≈ 500 МПа. Рис. 10. Известно, что при сверхмелком зерне показатель степени в может быть в пределах – 0, 5…– 1, т. е. при таком сверхмелком зерне эффективность упрочнения снижается. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 25
Суперпозиции механизмов упрочнения При определенной обработке стали (например, термомеханической) внутри зерна может образовываться совершенная субзеренная структура, в результате чего внутри кристаллов, ограниченных большеугловыми границами, образуются субзерна, разделенные малоугловыми границами. Образование субзерен может привести к дополнительному упрочнению, которое можно оценить по формуле: Δσc = Кc·l-m где l – размер фрагмента (зерна) субструктуры, Кc – коэффициент, отражающий сложность передачи деформации через субграницу, т – показатель степени, пределы изменения которого зависят от степени совершенства субструктуры, строения и разориентировки субграниц, обычно 0, 5 ≤ m ≤ 1. Эффективность субграничного упрочнения зависит от степени совершенства и разориентировки субзеренных границ. Ш При несовершенной субзеренной структуре и отсутствии четкой разориентировки между отдельными субзернами вклад ее в упрочнение сплава может быть учтен как Δσд. Ш При совершенной субзеренной структуре и наличии значительной разориентировки между субзернами вклад субзеренных границ в упрочнение учитывается как Δσз; при этом предполагается, что зерно как бы разбилось на множество мелких зерен, т. е. резко уменьшился диаметр зерна. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 26
Стали с феррито-перлитной структурой Количественная оценка предела текучести горячекатаных сталей с феррито-перлитной структурой Элемент, масс. % Сталь C Mn Si S P Cr Ni Cu Mo Nb V 37 Г 2 С 0, 37 1, 30 0, 44 0, 020 0, 09 0, 04 0, 09 – – – 38 Г 2 СФ 0, 38 1, 34 0, 52 0, 008 0, 011 0, 08 0, 03 0, 11 – – 0, 05 37 ХГФ 0, 37 0, 65 0, 62 0, 26 0, 016 0, 02 0, 01 0, 02 0, 09 – 0, 07 37 ХГФБМ 0, 36 0, 70 0, 23 0, 007 0, 012 0, 52 0, 09 0, 04 0, 10 Микроструктура исследуемых сталей, х100 37 Г 2 С 38 Г 2 СФ Марка стали Размер ауст. зерна dg, мкм Размер фер. зерна da, мкм Доля феррита qa, % Доля перлита qп, % Толщина ферритной сетки ta, мкм 37 Г 2 С 38 -42 15 -20 25 -30 70 -75 8 -10 38 Г 2 СФ 40 -45 8 -12 15 -20 80 -85 7 -10 37 ХГФ 42 -45 4 -7 8 -12 90 13 -15 37 ХГФБ 42 -45 10 -15 8 -12 90 7 -10 Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности Рис. 11. 27
Стали с феррито-перлитной структурой Микроструктура труб из стали 38 Г 2 СФ, используемая для определения вклада дисперсионного (а) и дислокационного (б) упрочнения, х12500 (б) (а) Рис. 12. Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 28
Стали с феррито-перлитной структурой Количественная оценка предела текучести сталей с феррито-перлитной структурой 100% 90% 80% 105 112 111 100 10 80 80 10 70% 10 60% 50% 98 120 10 10 40 266 40% 304 342 30% 95 95 20% 10% 57 3000% 38 3000% 17 3000% 15 3000% 37 Г 2 С 0% 6. Упрочнение границами зёрен 125 95 5. Дисперсионное упрочнение 4. Дислокационное 10 упрочнение 30 75 3. Перлитная составляющая 10 2. Легирование твёрдого 40 раствора 115 1. Напряжение трения решётки 38 Г 2 СФ 37 ХГФБ 15 Г Механические свойства материалов. Лекция 2. Оценка конструктивной прочности 3000% 09 Г 2 С 13. 15 ГФ Рис. 29
Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов (4 ч. ) Цели изучения – изучение особенностей гетерогенных материалов и перспектив их использования в промышленности.
Гетерогенные материалы Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые один в другом компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. Удельный модуль упругости Композиционные материалы (КМ) по удельным прочности и жесткости, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам значительно превосходят все известные конструкционные материалы. Уровень заданного комплекса свойств проектируется заранее и реализуется в процессе изготовления материала. При этом КМ придают по возможности форму готовых изделий. Удельная прочность Рис. 1. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Дисперсно-упрочненные композиционные материалы (ДУКМ). В ДУКМ наполнителями служат дисперсные частицы тугоплавких фазоксидов, нитридов, боридов, карбидов (Al 2 O 3, Si. О 2, BN, Si. C и др. ). К достоинствам тугоплавких соединений относятся высокие значения модуля упругости, низкая плотность, пассивность к взаимодействию с материалами матриц, а таких, как оксиды алюминия и кремния, – большая распространенность в природе и невысокая стоимость образующих их элементов. ДУКМ в основном получают порошковой технологией, но существуют и другие способы, например, метод непосредственного введения наполнителей в жидкий металл или сплав перед разливкой. матрица Основную нагрузку воспринимает матрица, а дисперсные частицы упрочнителя оказывают сопротивление движению дислокаций при нагружении материала, мешают развитию пластической деформации. Уровень прочности зависит от объемного содержания упрочняющей фазы, равномерности ее степени дисперсности и упрочнитель распределения, расстояния между частицами Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Большое упрочнение достигается при размере частиц 0, 01– 0, 1 мкм и расстоянии между ними 0, 05– 0, 5 мкм. Объемное содержание частиц зависит от схемы армирования. Преимущество ДУКМ – изотропность свойств. К дисперсноупрочненным КМ на алюминиевой основе, нашедшим промышленное применение, относится материал из спеченной алюминиевой пудры (САП); на никелевой основе известны композиции, упрочненные частицами оксидов тория, иттрия, гафния и др. Зависимость механических свойств САП от содержания Аl 2 O 3 Структура САП - алюминиевая основа + равномерно распределенные дисперсные частицы Аl 2 O 3. Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью оксидной фазы, малым расстоянием между ее частицами. Нерастворимость в алюминии и отсутствие склонности к коагуляции тонкодисперсных частиц Al 2 O 3 обеспечивает стабильность структуры и высокую прочность при температурах до 500°С. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы матрица Волокнистые композиционные материалы. В волокнистых КМ упрочнителями служат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений (В, С, Аl 2 O 3, Si. C и др. ), а также проволока из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочная сталь и др. ). Для армирования КМ используют непрерывные и дискретные упрочнитель волокна диаметром от долей до сотен микрометров. При упрочнении волокнами конечной длины нагрузка на них передается через матрицу с помощью касательных напряжений. В условиях прочного (без проскальзывания) соединения волокна с матрицей нагрузка на волокна при растяжении равна ∙ ∙d∙l, где – касательное напряжение, возникающее в матрице в месте контакта с волокном; d – диаметр волокна; l – длина волокна. С увеличением длины волокна повышается возникающее в нем напряжение. При определенной длине, названной критической, напряжение достигает максимального значения. Оно не меняется при дальнейшем увеличении длины волокна. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы lкр определяется из равенства усилий в матрице на границе с волокном и в волокне с учетом симметричного распределения в нем напряжений или Теоретические расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что чем тоньше и длиннее волокно, а точнее, чем больше отношение длины к диаметру, тем выше степень упрочнения ( в, км/ в, в) КМ. В качестве матриц металлических КМ используют металлы: алюминий, магний и титан, жаропрочный никель и сплавы на их основе; для неметаллических КМ – полимерные, углеродистые, керамические материалы. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Свойства волокнистых КМ в большой степени зависят от схемы армирования. Ввиду значительного различия в свойствах волокон и матрицы при одноосном армировании физическим и механическим свойствам КМ присуща анизотропия. При растяжении временное сопротивление и модуль упругости КМ достигают наибольших значений в направлении расположения волокон, наименьших – в поперечном направлении. 1 2 3 4 5 Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Например, КМ с матрицей из технического алюминия АД 1, упрочненный волокнами бора, в направлении волокон имеет σв = 10001200 МПа, а в поперечном направлении – всего 60 -90 МПа. Анизотропия свойств не наблюдается при двухосном армировании с взаимно перпендикулярным расположением упрочняющих волокон. Зависимость временного сопротивления композита ВКА-1 от содержания и ориентации в нем волокон Нагрузки, воспринимаемые волокнами (РВ) и матрицей (РМ), выражаются через возникающие в них напряжения σв и σм следующим образом С учетом закона Гука Чем выше модуль упругости волокон ЕВ и больше их объем VВ, тем в большей степени они воспринимают приложенную нагрузку. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Модуль упругости и временное сопротивление КМ изменяются в зависимости от объемного содержания наполнителя по закону аддитивности Например, модуль упругости КМ с алюминиевой матрицей (Е = 70 ГПа), упрочненного 50% (об. ) волокон бора (Е = 420 ГПа), равен 70∙ 0, 5+420· 0, 5 = 245 ГПа, что хорошо согласуется с модулем упругости реального КМ ВКА-1 (Е = 240 ГПа). Большую роль играет матрица в Изменение прочности волокнистого КМ в сопротивлении КМ усталостному зависимости от содержания упрочнителя разрушению, которое начинается с матрицы. Гетерогенная структура, поверхности раздела между волокном и матрицей затрудняют процесс распространения трещины в направлении, перпендикулярном оси волокон. Поэтому КМ характеризуются высокими значениями предела выносливости. Так, по пределу выносливости КМ на Al основе превосходят лучшие алюминиевые сплавы в 3 -4 раза. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Прочность КМ в большой степени зависит от прочности сцепления волокон с матрицей. Между матрицей и наполнителем в КМ возможны различные типы связи. Ø Механическая связь (например, Сu - W) - имеют низкую прочность при поперечном растяжении и продольном сжатии. Ø Связь, обеспечиваемая силами поверхностного натяжения при пропитке волокон жидкой матрицей вследствие смачивания и небольшого растворения компонентов (например, Mg–В до 400°С). Ø Реакционная связь, обусловленная химическим взаимодействием компонентов (Ti–В, Ti–Si. C) на границе раздела. Ø Обменно-реакционная связь, возникающая при протекании двух и более стадийных химических реакций (например, Al+2 B Аl. B 2+Ti Ti. B 2) Ø Оксидная связь, возникающая на границе раздела металлической матрицы и оксидного наполнителя (например, Ni–Аl 2 О 3). Ø Смешанная связь, реализуемая при разрушении оксидных пленок и возникновении химического и диффузионного взаимодействий компонентов (Аl–В, Аl–сталь). Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Для металлических КМ прочная связь между волокном и матрицей осуществляется благодаря их взаимодействию и образованию очень тонкого слоя (1 -2 мкм) интерметаллидных фаз. Если между волокнами и матрицей нет взаимодействия, то на волокна наносят специальные покрытия для его обеспечения. Связь между компонентами в КМ на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Плохой адгезией к матрице обладают высокопрочные борные, углеродные, керамические волокна. Улучшение сцепления достигается травлением, поверхностной обработкой волокон, называемой вискеризацией – выращиванием монокристаллов карбида кремния «борсика» на поверхности углеродных, борных и других волокон перпендикулярно их длине. При сильном взаимодействии компонентов временное сопротивление волокон и КМ значительно снижается. Например, в волокон карбида кремния в КМ с титановой матрицей в результате такого взаимодействия снизилось с 320 до 210 МПа, что вызвало снижение в КМ на 30 %. Кроме того, наличие механической несовместимости компонентов КМ приводит к возникновению остаточных напряжений на границе раздела компонентов, которые при достижении определенного значения вызывают нарушение связи между компонентами. Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Гетерогенные материалы Более подробно особенности механического поведения композиционных материалов рассмотрены в мультимедийном Приложении «MATTER» . Механические свойства материалов. Лекция 3. Механические свойства гетерогенных материалов
Выводы § дано понятие о высокопрочном состоянии материалов разного типа и назначения; § рассмотрены различные механизмы упрочнения конструкционных материалов и их роль в общее упрочнение материала; § на примере среднеуглеродистых трубных сталей проведена количественная оценка предела текучести; § даны представления о механическом поведении композиционных материалов и принципы формирования в них высокого комплекса механических свойств. 42
Информационное обеспечение модуля Литература по теме: 1. Гольдштейн М. И. , Литвинов В. С. , Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов: Учебник для вузов. - М. : Металлургия, 1986. – 312 с. : ил. 2. Арзамасов Б. Н. , Макарова В. И. , Мухин Г. Г. и др. Материаловедение: Учебник для вузов. 7 -е изд. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. – 648 с. : ил. 3. Hosford W. F. Mechanical behavior of materials. NY. : Cambridge University Press, 2005. – 425 p. 4. Materials Science on CD-ROM. An interactive learning tool for students, second edition. - London: Chapman&Hall, 1998. – 183 p. Электронный адрес: tofm@mtf. ustu. ru 43
Курс лекций является частью учебно-методического комплекса «Механические свойства материалов» , авторский коллектив: Хотинов Владислав Альфредович, к. т. н. , доцент кафедры термообработки и физики металлов УГТУ-УПИ Пышминцев Игорь Юрьевич, д. т. н. , профессор кафедры термообработки и физики металлов УГТУ-УПИ Учебно-методический комплекс подготовлен на кафедре ТО и ФМ ГОУ ВПО «УГТУУПИ» Никакая часть данной презентации не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения авторов 44
Скачать презентацию КАФЕДРА ТЕРМООБРАБОТКИ И ФИЗИКИ МЕТАЛЛОВ Механические свойства
Модуль 3 (8 ч.).ppt