Теоретическая и практическая прочность металлов.

Теоретический расчет прочности кристалла впервые был выполнен Я. Френкелем. В основу была положена простая модель двух рядов атомов, которые смещаются относительно друг друга под действием касательного напряжения т (рис. 5.1). При этом предполагалось, что атомы верхнего ряда перемещаются относительно нижнего как одно целое, одновременно. Такой механизм принято называть схемой жесткого сдвига.

На рис. 5.1. межплоскостное расстояние (расстояние между рядами) принято равным а, а расстояние между атомами в направлении скольжения составляет Ь. Под действием сдвигового напряжения х атомные ряды будут смещаться относительно друг друга, попадая в равновесные позиции в таких точках, как А и В, где напряжение сдвига, необходимое для сохранения данной конфигурации, равно нулю. Это напряжение равно нулю также и в случае, когда в обоих рядах атомы располагаются точно друг над другом в положениях С и D. В промежуточных позициях напряжение имеет какие-то конечные значения, которые периодически меняются в объеме решетки. Если под действием сдвигового напряжения смещение составляет х, то напряжение будет являться периодической функцией х с периодом Ъ. В наиболее простой форме эта зависимость может быть представлена в виде синусоидальной кривой (см. рис. 5.1):
х = ksm(2nx/b). (5.1)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига.
Если приравнять приведенные выражения для х, то; х = Gb/lmi; подставляя это значение х в соотношение (5.1), получим:
х = ksin(2nx/b)

Для малых смещений х = klnx/b. Используя закон Гука, величину напряжения сдвига можно представить в ином виде: т = Gx/a, где G — модуль сдвига; х/а — деформация сдвига. Дальнейшие расчеты приводить не будем.

Если принять, что а =Ь, тогда теоретическое критическое напряжение сдвига приближенно равно G/2n. Например, для кристаллов меди G = 46 ООО МПа, следовательно, теоретическое значение т = 7320 МПа. В то же время для реальных кристаллов меди наблюдаемое сопротивление сдвигу составляет всего лишь 1,0 МПа. Таким образом, теоретическое значение прочности на несколько порядков выше действительной величины.

Уточнение приведенного выше расчета путем использования более близкого к действительности закона периодического изменения т в зависимости от х приводит к выражению ткр = G/30 (расчет по Маккензи), что также на несколько порядков превышает реальное сопротивление сдвигу.

Аналогичные рассуждения можно провести для случая, когда в результате действия нормальных напряжений происходит одновременный разрыв межатомных связей для двух рядов атомов и образуется трещина. Работа, затрачиваемая на разрушение, расходуется на создание двух новых поверхностей, обладающих поверхностной энергией уг. Теоретическую прочность идеального кристалла, определенную из условия равенства работы отрыва двух рядов атомов и поверхностной энергии, образованной при этом трещины.

Фактическая прочность материалов на несколько порядков меньше значений теоретической прочности. Объяснение расхождения теоретической и реальной прочности материалов дает теория дефектов кристаллического строения, позволившая раскрыть сущность явлений, происходящих при пластической деформации, и установить физическую природу пластичности и прочности металлов и их сплавов.

Остаточные напряжения. Наклёп.

Наклеп - это холодная механическая обработка поверхности, которая заключается в выбрасывании на металлическую деталь дробинок определенного вида и твердости, чтобы ввести на поверхность остаточные напряжения сдавливанием. Упрочнение поверхности металлов и сплавов вследствие изменения их структуры и фазового состава в процессе пластической деформации, при температуре ниже температуры рекристаллизации. Наклёп сопровождается выходом на поверхность образца дефектов кристаллической решётки, увеличением прочности и твёрдости и снижением пластичности, ударной вязкости, сопротивления металлов деформации противоположного знака (эффект Баушингера).

Наклеп на сегодня является широко известной операцией, которая доказала свою необходимость во многих сферах применения, основными принципами которых являются:

• Улучшение эксплуатационных качеств деталей, подвергающихся механическим воздействиям глобальным (усталость) или локальным (износ), связанным с агрессивной химической средой (коррозия под напряжением)
• Придание формы тонкостенным деталям (наклеп)
• Детали, подвергающиеся циклическим напряжениям изгиба или скручивания: пружины подвески (винтовые, листовые), рычаги, поршни, лопасти, валы, зубчатые колеса, торсионы, шпонки, звенья цепей и т.д.
• Скорость подачи дроби на деталь 20-120 м/с

· Остаточные напряжения. Классификация

В процессе производства деталей возникают технологические остаточные напряжения. Их появление связано с условиями изготовления деталей.

Виды остаточных напряжений

Остаточные напряжения обычно классифицируют по признакам протяженности силового поля и по физической сущности. Общепринятой является классификация по протяженности силового поля.

Напряжения 1-го рода - макронапряжения. Они охватывают области, соизмеримые с размерами детали, и имеют ориентацию, связанную с формой детали.

Напряжения 2-го рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна металла или на группу зерен.

Напряжения 3-го рода - субмикроскопические, относящиеся к искажениям атомной решетки кристалла.

Остаточные напряжения l-го рода в материале детали возникают в результате различных технологических факторов при ее изготовлении. Их величина определяется плотностью дислокаций, а знак зависит от характера расположения однородных дислокаций по отношению к поверхности детали. Сжимающие остаточные напряжения возникают в случае преобладающего расположения у поверхности множества положительных дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, а в случае рас положения у поверхности отрицательных дислокаций возникают остаточные напряжения растяжения.

По представлению физики твердого тела, напряжения в металле или сплаве рассматриваются как следствие искажения кристаллической решетки. Физической моделью механизма образования технологических остаточных напряжений применительно к деталям, поверхностный слой которых деформирован в процессе механической обработки, в этом случае является атомная или дислокационная модель.

Технологические факторы (способы и режимы обработки поверхности, состояние инструмента, системы и степень охлаждения и др.) оказывают определяющее влияние на величину и знак остаточных напряжений. Обработка резанием (точение) поверхности заготовки детали обычно вызывает появление растягивающих напряжений величиной до 70 МПа. Глубина распространения их находится в пределах 50...200 мкм и зависит от условий формообразования поверхности. При фрезеровании возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. При шлифовании чаще всего возникают растягивающие напряжения.

Микронапряжения - местные остаточные напряжения 2-го рода. Они возникают в поликристаллических металлах в процессе деформации больших объемов в результате взаимодействия зерен. К остаточным напряжениям 2-го рода относят также и напряжения внутри отдельного зерна, обусловленные мозаичностью его структуры - результат взаимодействия между отдельными блоками. Эти напряжения являются следствием неоднородности физических свойств различных компонентов поликристалла, а также стесненных условий деформации отдельного зерна и анизотропии свойств внутри его. Основными причинами их возникновения являются фазовые превращения, изменения температуры, анизотропия механических свойств отдельных зерен, границы зерен и распад зерна на фрагменты и блоки при пластической деформации.

Фазовые превращения (в процессе его кристаллизации и остывания, термической обработки и распада твёрдого раствора), сопряженные с увеличением или уменьшением объёма отдельных зерен, порождают значительные остаточные напряжения.

При изменении температуры микронапряжения могут возникать из-за наличия в металле различных компонентов с различными коэффициентами линейного расширения, а также из-за анизотропии свойств отдельных зерен, особенно для металлов с некубической решеткой, обусловливающей различие в величине линейного расширения по разным кристаллографическим осям.

В реальном поликристаллическом металле вместо предполагаемого по расчету равномерного распределения напряжений от действия внешней нагрузки имеет место значительная неравномерность напряжений (деформаций) в отдельных зернах. Неравномерная пластическая деформация обусловливается разницей в модулях упругости различных структурных составляющих, а также неодинаковой способностью деформироваться по разным кристаллографическим осям одного и того же зерна, которая определяется величиной модулей упругости Е и G. В поликристалле, даже при однородном поле напряжений, пластическая деформация распределяется в микрообъемах неравномерно, степень неравномерности при этом достигает 400...500%. Скопление большого числа дислокаций в граничных слоях вызывает многочисленные искажения атомной решетки, а это создает напряжения 3-го рода. Наряду с этим граничный слой - зона силового взаимодействия между отдельными зернами - создает поле микронапряжений, охватывающих всю поверхность зерна.

Разделение объема зерна на блоки создает в зерне микронапряжения. Причиной возникновения их являются вновь образовавшиеся границы между блоками. В граничном слое между блоками накапливаются дислокации и атомы примесей, которые искажают кристаллическую решетку и порождают напряжения.

Отличие микро- и макронапряжений заключается не только в величине масштаба их проявления. Макронапряжения могут возникать в любой сплошной однородной изотропной среде. Микронапряжения в таком материале существовать не могут, они могут возникать вследствие существенной неоднородности кристаллического материала и его анизотропных свойств.

Возникновение искажений кристаллической решетки связано с отклонением атомов от положения равновесия, причиной которых являются главным образом дислокации и внедренные атомы. Распределение искажений, вызванных присутствием в решетке растворенных атомов, и различного рода несовершенств структуры при низких температурах остается постоянным.