Общее понятие напряженно – деформированного состояния деталей машин из металлических материалов, применяемых в машиностроении

1.

2. Тема 1. Общее понятие напряженно – деформированного состояния деталей машин из металлических материалов, применяемых в

машиностроении.
Содержание:
1. Современная классификация структурных уровней и методов исследования.
2. Физические методы исследования.
– Растровая и просвечивающая электронная микроскопия; рентгеноструктурный
и спектральный анализ; дилатометрические, калориметрические исследования.
– Микродифракционный анализ строения кристаллической решетки фаз.
– Анализ химического состава фаз и перераспределения легирующих
элементов.
3. Идеальная и реальная кристаллическая структура металлов. Дефекты их
кристаллического строения.
4. Диаграммы растяжения. Физическая сущность и значение основных
характеристик механических свойств, определяемых по методу испытания
образцов на растяжение.
5. Прочность металлов и сплавов как совокупная характеристика
деформационного, структурного, фазового и твердорастворного упрочнения с
учетом влияния структурных уровней

3. 1.2. Современная классификация структурных уровней

Общий вид детали (х 30 крат) Макроуровень
Отдельное зерно (х 1000 крат) Микроуровень
Атомно-кристаллическое строение (х 100000 крат) Субмикроуровень

4.

СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Макро – уровень
Микро – уровень
Субмикро – уровень
Х 1000
Х 24000
ПЭМ
РЭМ
МРСА
Х1
Атомный – уровень

5. 1.2. Идеальная кристаллическая структура металлов

6. 1.2. Идеальная кристаллическая структура металлов

7. Количественные характеристики кристаллической решётки

Период решетки (a,b,c) – расстояние между центрами 2-ух соседних частиц
(атомов, ионов).
Координационное число (К) – число атомов, которые находятся на
наиболее близком и равном расстоянии о любого атома решетки.
Базис решетки (Б) – количество атомов, приходящихся на 1 элементарную
ячейку решетки.
Коэффициент компактности ( ) – отношение объема, занимаемого
атомами, ко всему объему решетки
Размеры пор: октаэдрические (П6), тетраэдрические (П4)
Наиболее плотно-упакованные плоскости {hkl}.
№
1
2
3
Обозначение
a,b,c
К
Б
ГЦК
a,b,c
12
4
1/8 8+1/2 6=4
ОЦК
a,b,c
8
2
1/8 8+1=2
4
5
6
П6
П4
{hkl}
74%
0,41 r
0,225 r
{111},<110>
68%
0,154 r
0,291 r
{110},<111>
ГПУ
a,b,c
12
6
1/6 12+1/2 2+3
=6
74%
0,41 r
0,225 r
{0001},<1120>

8.

9. Полиморфные превращения

ОЦК ГЦК
• 1 группа
• 2 группа
• 3 группа
ГЦК ОЦК
ОЦК ГЦК (Fe, Mn, Cd, La, Yb) ;
ГПУ ОЦК (Ti, Zr, Hf, Tl, Gd) ;
ГПУ ГЦК (Co, Tb, Sr) .
ОЦК ГПУ

10. Микродифракционная картина

Когерентное
излучение с
n =2 dhklsinϴhkl
Рефлекс (отражение)
на фотопластине
длиной волны
Рис.5.

11. 1.3. Реальная структура металлов. Дефекты кристаллического строения

Классификация
дефектов.
1. Точечные –
вакансии, вакансионные
комплексы,
межузельные атомы,
пары Френкеля
(вакансия-межузельный
атом), атомы замещения
и др.
2. Линейные –
дислокации (краевые,
винтовые).
3. Поверхностные –
границы зерен, блоков,
двойников, фаз,
дефекты упаковки.
4. Объемные –
поры.
Точечные дефекты в кристаллической
решетке:
а) вакансия
б) элемент замещения
в) элемент внедрения

12. Реальная структура металлов. Дислокации в кристалле

Классификация
дефектов.
1. Точечные –
вакансии, вакансионные
комплексы,
межузельные атомы,
пары Френкеля
(вакансия-межузельный
атом), атомы замещения
и др.
2. Линейные –
дислокации (краевые,
винтовые).
3. Поверхностные –
границы зерен, блоков,
двойников, фаз,
дефекты упаковки.
4. Объемные –
поры.
Плотность дислокаций
I) =106см-2 - хаотическое
распределение дислокаций
в отожженном металле,
=0%;
II) =108см-2 - дислокационные
“жгуты”, клубки, сплетения,
=5%;
III) =1011см-2 - дислокационная
ячеистая структура с
размером ячеек 1мкм и
разворотом = 0,1-1 град.,
=10-20%
IV) =1013см-2 дислокационная ячеистая
структура с увеличением
угла разворота вплоть до
образования трещины.

13. Дислокации в кристалле

14. Поверхностный дефект кристаллического строения

15.

16. Объемный дефект кристаллического строения

Поры в сплаве на основе меди после высокоскоростном нагружении,
х 13000 (а); х 82000 (б).

17. 1.5. Физическая сущность параметров кратковременных механических свойств, получаемых из диаграммы растяжения

18. 1.5. Прочность металлов и сплавов как совокупная характеристика влияния структурных уровней.

На макро-уровне – на механические свойства влияет масштабный фактор
На микро-уровне – на механические свойства влияет размер зерна.
0,2 = 0 + К / (Дзерна)
1/2
На субмикро-уровне – на механические свойства влияет размер зерна.
- влияние легирования
- влияние второй фазы
- дислокационное упрочнение
- влияние границ раздела
теор = (Е Sn / a)1/2
0,2 =
0
1
2
3
4
5
+
+
+
+
+
сила
твердо
дислока
дисперс
упрочне
упрочне
трения
раство
ционное
ионное
ние
ние
решетк
рное
упрочне
упрочне
больше
малоугл
и
упрочне
ние
ние
угловы
овыми
ние
ми
граница
граница
ми
ми

19. Теоретическая прочность

σтеор = (E×Sn/a)1/2

20. Упрочнение, обусловленное силой трения решетки в монокристалле. Напряжение Пайерлса.

Ме
кр, МПа
W
38
Mo
30,5
Ni
23
- Fe
21,5
Cu
12
Au
8,0
Al
6,8
0 = кр = 2,5 10-4 G

21. Твёрдорастворное упрочнение

Точечные дефекты в кристаллической
решетке: а) вакансия; б) элемент замещения;
в) элемент внедрения

22. Значения величин коэффициентов упрочнения для ряда легирующих элементов в железе

= (dFe – dMe) / dMe
1 = (Ki Ci)
где, – величина размерного несоответствия атомов металлов в твёрдом растворе,
d – диаметр атома металла,
Ki – коэффициент упрочнения сплава i – ым легирующим элементом,
пропорциональный величине его размерного несоответствия i;
Ci – концентрация содержания в сплаве i-го легирующего элемента.

23. Дислокационное упрочнение

Плотность дислокаций
I) =106см-2 - хаотическое
распределение
дислокаций в
отожженном металле,
=0%;
II) =108см-2 дислокационные
“жгуты”, клубки,
сплетения, =5%;
4 = m G b 1/2
III) =1011см-2 дислокационная
ячеистая структура с
размером ячеек 1мкм и
разворотом = 0,1-1
град., =10-20%
IV) =1013см-2 дислокационная
ячеистая структура с
увеличением угла
разворота вплоть до
образования трещины.

24. Поверхностные дефекты кристаллического строения

25. Субзёренное упрочнение

5 = Kс d–m

26. Зернограничное упрочнение

3 = Ky D –1/2
3 = Ky D –1/2

27. Дисперсионное упрочнение

2 = 0,8 G b /

28. Механизмы упрочнения стали и сплавов

№
Механизм
упрочнения
Формула для
расчета
Обозначения
1
Теоретичес
кая
прочность
теор =
(Е Sn / a)1/2
Е
модуль
Юнга
Snповерхностная
энергия, н/см
а - равновесное
межатомное
расстояние, см
20000
0
G - модуль
Сдвига, МПа
84000
2
3
4
5
Упрочнение
обусловлен
ное силой
трения
решетки (ПН) в
монокриста
лле
Твердораст
ворное
упрочнение
0 = 2,5 10-4 G
1 = Ki Ci
Дислокацио
нное
упрочнение
(затухает в
процессе
деформации
)
2 =
Mo G b 1/2
Дисперсион
ное
упрочнение
частицами
3 = 0,84 М0
G b/2 Кд
ln( b)
3 = 0,8 G b/
Gb2 1/2
Ki – коэфф упрочнения
i-го
элемента
Ci – концентрация
i-го
элемента
коэффициент
Moориентационны
й множитель
b-вектор
Бюргерс
плотность
дислокаций
Кд
коэфф.,
учитывающий
тип дислокаций
расстояние
между
частицами
Параметры
для расчета
Fe
Ti
4380
0
Вклад в
упрочнение
Fe
Ti
(спл.)
(спл.)
27000
0
10 103
3 10-8
4000
0
см.
табл.
0,5
16,8
(30)
(115)
0,2
(140)
2,75
0,2510
2,95
9мкм
замещ
200
внедр
320
2,3
( =108)
отпуск
73
( =1011
)
закалк
а
-7
1,25
24
9,8
102/
ln(2 )
1,6
( =9мк
)

29. Механизмы упрочнения стали и сплавов

6
7
Зернограни
чное
упрочнение
Субструкту
рное
упрочнение
4 =Ky D-1/2
где
Ky =0,1 G b1/2
Ky = (6 Sn
G/1- )1/2
Ky - коэфф. упрочнения
D- размер зерна
- коэфф Пуассона
5 = Кс d-m
m=0,5…1,0
5 =
G b ( /bd)1/2
Кс - коэфф. 0,13
учитывающий
н/мм
субструктуру
m=1
d
размер d=1мк
субзерна
м
20н/м
м3/2
195
50
мкм
0,148/
d
закалк
а
22
(D=10)
15
(D=20)
отжиг
10
(D=50)
6
(D=120
)
80
(d=3)
136
(d=1)

30. Контрольные вопросы по Теме 1.

1. На каком структурном уровне изучают: строение отдельного атома; дефекты
кристаллического строения; размер зерна; внешний вид изделия.
2. С помощью какого метода (оборудования) исследуют: тип кристаллической
решетки металла; величину межплоскостных расстояний; излом разрушенного
образца; размер зерна; внешний вид изделия.
3. Что такое микродифракционная картина?
4. Какой тип кристаллической решётки (ГПУ, ГЦК, ОЦК) имеют металлы (Al Cu
Au Zn Zr W V Mo и др.), применяемые в машиностроении.
5. Системы наиболее плотноупакованных плоскостей и направлений в
кристаллической решетке ГПУ, ГЦК, ОЦК – типа?
6. Нарисовать объемную кристаллическую решетку ГПУ, ГЦК, ОЦК - типа.
7. Перечислить основные дефекты кристаллического строения.
8. Средняя плотность дислокаций в хорошо отожженном недеформированном
металле, сильно наклёпанном и среднедеформированном состоянии
составляет:
9. Какой точке на диаграмме растяжения соответствует появление: первых
дислокаций, остаточной деформации 0,2%, зародышевой микротрещины.
10. Перечислить основные факторы, увеличение которых приводит к
возрастанию прочностных свойств сплавов.

31. Спасибо за внимание