Курсовая работа: Деформация и разрушение металлов

-подземная коррозия – разрушение металла под действием почвы или грунта.

-подводная коррозия – коррозия под действием пресной, морской, минеральной и другой воды.

-промышленная коррозия – коррозия материалов при получении, переработке промышленно важных сред.

Напряжения могут вызывать усиленное коррозионное разрушение обычно местного характера. Не менее опасные разрушения могут иметь место при одновременном воздействии агрессивной среды и знакопеременных нагрузок.

Кроме того, выделяют коррозию при трении – разрушение материала при одновременном воздействии агрессивной среды и трения. Серьезные поражения металлов и материалов наблюдаются при коррозионной кавитации – разрушении при ударном воздействии коррозионной среды.

Старение – совокупность физических и химических процессов, протекающих в материале, приводящих к изменению его состава и структуры под действием влияющих факторов. Снижение химической стойкости и физико-механических показателей полимерных материалов в результате старения заключается в деструкции вещества. Под деструкцией понимают процессы, приводящие к уменьшению длины цепей или размеров макромолекул. Процессы деструкции протекают под воздействием тепла, света, излучений, кислорода, озона, механических напряжений. За меру химической стойкости неметаллических материалов, применяемых в качестве защитных покрытий, часто принимают величину их набухания в рабочей среде.

Трещины . Первые работы в сфере теории разрушения появились в 1921 году, разработал английский инженер Гриффитс. По Гриффитсу, страгивание трещины происходит тогда, когда приращение энергии деформации при прорастании трещины достигает энергии, идущей на образование новой свободной поверхности.

Переменность нагрузки. Действие многократно изменяющейся во времени нагрузки может привести к внезапному разрушению материала, носящему хрупкий характер (усталостное разрушение). Окончательному разрушению предшествует образование трещины усталости. Излом имеет две зоны: гладкую (зона развития трещин) и грубозернистую (зона окончательного излома).В ряде случаев на материалы действуют нагрузки, сравнительно медленно изменяющиеся во времени. Если эти нагрузки повторяются многократно, то возможно разрушение конструкции, носящее усталостный характер. Подобные нагрузки называются повторно статическими. Способность материала сопротивляться разрушению при повторно статических нагрузках называется статической выносливостью. Исследования показывают, что при повторно статических нагрузках разрушение наступает при существенно меньшем числе циклов, чем при переменных нагрузках, повторяющихся с большой частотой. [4]

2.3 Взаимосвязь деформации с крепостью материалов

Крепость – это физическая способность материала оказывать сопротивление его повреждению при действии сил, ведущих к деформации и внутренние напряжения материала. Под действием этих известных сил материал просто напросто может подвергаться кручению, растяжению, изгибу, сжатию, срезу. Крепость крепкого вещества в принципе обусловлена свойственными ему силами атомного взаимодействия. Подобные силы, свойственные для молекул и атомов, имеют все шансы достигать очень больших значений. Но, в XX годах академик А. Ф. Иоффе показал нам наличие даже небольших неплотностей, трещин и других дефектов вещества, неизбежных в настоящих твердых материалах, в несколько раз уменьшает их прочность по сравнению с теорией. Таким образом, дефекты макроструктуры материала отрицательно отражаются на его твердости.

Твердость материала – это его способность сопротивляться пластической деформации или разрушению при местном силовом воздействии; одно из основных механических свойств материалов. Зависит от структуры материала и других его механических характеристик, от вида обработки поверхности, температуры, модуля упругости при деформации и предела прочности при разрушении.

Твердость измеряется вдавливанием в поверхность материала или перемещением по ней под нагрузкой специальных наконечников — инденторов, имеющих сферическую, коническую или другую форму. В испытуемую поверхность материала вдавливают закаленный шарик диаметром d 2,5, 5 или 10 мм (это метод по Бринеллю).Число твердости по Бринеллю – НВ - отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Для получения сопоставимых данных относительно твердые материалы (НВ > 1300) испытывают при отношении P/d2 = 30, материалы средней твердости (НВ 300-1300)-при P/d2 = 10, мягкие (НВ < 300)-при P/d2 = 2,5. Испытания проводят на стационарных или переносных твердомерах при плавном приложении нагрузки и постоянстве выдержки ее в течение определенного времени (обычно 30 с). При определении твердости по Виккерсу в поверхность материала вдавливают алмазный индентор в виде наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды с двугранным углом при вершине в 136°. Для приблизительного определения твердости горных пород и других хрупких материалов используют метод Мооса, заключающийся в царапании исследуемого материала эталонным минералом. В этом случае твердость измеряется в условных единицах, соответствующих номеру минерала в десятибалльной шкале: тальк— 1, гипс — 2, кальцит — 3, флюорит — 4, апатит — 5, ортоклаз – 6, кварц – 7, топаз – 8, корунд — 9, алмаз — 10.

Можно сказать, что связь между деформацией и крепостью материалов самая прямая, ведь это единственное и главное свойство материала сопротивляться деформации или разрушению при силовом ударе.[4]

3 Особенности деформаций и разрушения металлов

3.1 Упругие и пластические деформации металлов

Упругая деформация металлов – деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняется после прекращения действия внешних сил, когда размеры и форма тела после снятия нагрузки восстанавливается мгновенно, со скоростью звука, т.е. она проявляется за короткий промежуток времени. Она характеризуется упругими изменениями кристаллической решетки. Упругая деформация не вызывает заметных остаточных изменений в структуре и свойствах металла; под действием приложенной нагрузки происходит только незначительное смещение атомов или поворот блоков кристалла. При растяжении монокристалла возрастают расстояния между атомами, а при сжатии — сближаются. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристаллы приобретают свою первоначальную форму и размеры.

Пластическая деформация металлов - приводит к остаточным изменениям формы и размеров тела.Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием.

Скольжение (смещение) отдельных частей кристалла относительно друг друга происходит под действием касательных напряжений, когда эти напряжения в плоскости и в направлении скольжения достигают определенной критической величины. Смещение происходит по системам скольжения, причем с изменением температуры деформации системы скольжения могут изменяться.

Чем больше в металле возможных плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации. Металлы, имеющие кубическую кристаллическую решетку, обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них происходит во многих направлениях. Металлы с плотноупакованной структурой менее пластичны и поэтому труднее, чем металлы с кубической структурой, поддаются прокатке, штамповке и другим способам деформации.

Процесс скольжения не следует представлять как одновременное передвижение одной части кристалла относительно другой. Такой жесткий, или синхронный, сдвиг потребовал бы напряжений, в сотни или даже тысячи раз превышающие те, при которых в действительности протекает процесс деформации.

Двойникование. Пластическая деформация некоторых металлов, помимо скольжения может осуществляться двойникованием, которое сводится к переориентировке части кристалла в положение, симметричное по отношению к первой части относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

Изменение структуры поликристаллического металла при пластической деформации.Пластическая деформация поликристаллического металла протекает аналогично деформации монокристалла - путем сдвига (скольжения) пли двойникования. Формоизменение металла при обработке давленном происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, п полому пластическая деформация по может протекать одновременно н одинаково во всем объеме поликристалла.

Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен.

При большой деформации в результате процессов скольжения зерна (кристаллиты) меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил,образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри нею происходит дробление блоков.[5], [6]

3.2 Особенности разрушения металлов

Процесс деформации при достижении достаточно высоких напряжений заканчивается разрушением. Процесс разрушения состоит из двух стадий — зарождения трещины и ее распространения через все сечение образца (детали).

Разрушение есть многостадийный процесс, в течение которого меняется форма, размеры и микроскопические механизмы роста трещины. На микроскопическом уровне различают:

а) разрушение, когда развивающийся процесс скольжения формирует плоскость будущего излома; последующий процесс отрыва идет по поверхности раздела ( границ зерен) или по плоскостям спайности;

б) смешанные — плоскости излома проходят и через зерна и между ними.

На практике разрушение подразделяют на хрупкое, вязкое и усталостное.

Хрупкое разрушение происходит без макроскопической де формации или с очень малой деформацией, и начинаемся обычно на внешних рисках, подрезах или на уже имеющихся трещинах. Хрупкому разрушению способствуют следующие факторы:

—конструктивная форма: насечки, резьба, риски, резкое изменение сечения;