Физика конденсированного состояния. Прочность и разрушение материалов


                ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ





            ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ



        Учебник


Под редакцией доктора технических наук А. Н. Чуканова







Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.785
ББК 34.65
     Ф48



Авторы:
А. Н. Чуканов, Н. Н. Сергеев, А. Е. Гвоздев, А. Н. Сергеев, П. Н. Медведев, Ю. С. Дорохин, С. Н. Кутепов, А. А. Яковенко, Д. В. Малий

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры физики В. В. Жигунов (Тульский государственный университет); доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой общетеоретических дисциплин для иностранных учащихся И. М.Лагун (Тульский государственный университет)




Ф48 Физика конденсированного состояния. Прочность и разрушение материалов : учебник / [А. Н. Чуканов и др.]; под ред. д. т. н. А. Н. Чуканова. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 260 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0771-7

       Изложены ранние и современные представления о механизмах формирования теоретической и реальной прочности металлических материалов. Уделено внимание дислокационным моделям формирования высокопрочного состояния сплавов, показан их вклад в обеспечение эксплуатационных свойств при реализации наиболее распространённых промышленных процессов упрочнения. Выполнен подробный количественный анализ характеристик прочности и сопротивления разрушению при суперпозиции различных механизмов упрочнения, в том числе при повышенных температурах. Описана теория вязко-хрупкого перехода. Представлены количественные характеристики энергоёмкости и интенсивности напряжений при разрушении в различных условиях.
       Для студентов машиностроительных и металлургических направлений подготовки. Может быть полезно работникам научных, проектных и исследовательских организаций, а также специалистам в области машиностроения и металлургии.

УДК 621.785
ББК 34.65




ISBN 978-5-9729-0771-7

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ...........................................................5
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И ВЫСОКОПРОЧНОЕ СОСТОЯНИЕ..........................................................6
  1.1. Понятие о высокопрочном состоянии...........................6
  1.2. Теоретическая прочность при сдвиге.........................10
  1.3. Теоретическая прочность при отрыве.........................13
  1.4. Нитевидные кристаллы и их прочность........................16
  1.5. Контрольные вопросы и задания..............................20
2. ТЕОРИИ УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ.....................................21
  2.1. Деформационное упрочнение..................................21
    2.1.1. Системы скольжения в металлах..........................21
2.1.2. Факторы, определяющие сопротивление движению дислокации в монокристаллах..........................................22
    2.1.3. Деформационное упрочнение монокристаллов металлов и сплавов.................................................31
    2.1.4. Теории деформационного упрочнения...................44
    2.1.5. Пластическая деформация двойникованием..............50
  2.2. Твёрдорастворное упрочнение................................57
2.2.1. Теории блокировки дислокаций атмосферами атомов примесей и легирующих элементов....................................58
    2.2.2. Взаимодействие дислокаций с примесями в железе и стали.61
2.2.3. Теории упрочнения твердых растворов замещения при легировании...........................................65
    2.2.4. Легированный феррит....................................69
    2.2.5. Легированный аустенит..................................71
  2.3. Зернограничное упрочнение..................................74
    2.3.1. Теория деформации поликристаллических материалов.......74
2.3.2. Зависимость сопротивления деформации скольжением от размера зерна..........................................79
    2.3.3. Связь предела текучести с размером зерна при деформации двойникованием............................................90
    2.3.4. Субструктурное упрочнение..............................93
2.3.5. Описание кривых «напряжение - деформация» для поликристаллов........................................96
    2.3.6. Влияние размера зерна на усталость....................103
    2.3.7. Влияние размера зерна и субструктуры на ползучесть....105
  2.4. Упрочнение и фазовые превращения..........................108
    2.4.1. Мартенсит железоуглеродистых сплавов и его сопротивление пластической деформации..................................108

3

    2.4.2. Структура и свойства г-мартенсита........................112
    2.4.3. Роль мартенсита деформации в упрочнении сталей и сплавов .... 114
  2.5. Дисперсионное упрочнение...............................119
    2.5.1. Основные определения и эффективность упрочнения....119
    2.5.2. Дисперсные упрочняющие фазы........................122
    2.5.3. Механизмы упрочнения когерентными частицами........125
    2.5.4. Механизмы упрочнения некогерентными частицами......130
    2.5.5. Кривые «напряжение - деформация» для сплавов с когерентными и некогерентными выделениями...............135
    2.5.6. Теории деформационного упрочнения сплавов с дисперсными выделениями.................................139
  2.6. Контрольные вопросы и задания..........................144
3. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ПРОЧНОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ......................149
  3.1. Суперпозиции механизмов упрочнения.....................149
  3.2. Анализ применимости механизмов упрочнения к сталям и сплавам.152
  3.3. Количественная оценкапределатекучести..................161
  3.4. Эффективность различных механизмов упрочнения при повышенных температурах.................................169
  3.5. Оценка величины равномерной деформации.................171
  3.6. Количественная оценка влияния упрочнения на изменение температуры вязко-хрупкого перехода феррито-перлитной стали.............174
  3.7. Контрольные вопросы и задания................................180
4. РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛОВ..............................................182
  4.1. Условия зарождения трещины.............................184
  4.2. Дислокационные модели зарождения микротрещин...........188
  4.3. Рост трещин............................................192
  4.4. Теория вязко-хрупкого перехода.........................198
  4.5. Коэффициент интенсивности напряжений - критерий энергоемкости хрупкого и вязкого разрушения...............................203
  4.6. Связь Kic с механизмами распространения трещины........209
  4.7. Разрушение упорядоченных сплавов.......................224
  4.8. Межзеренное разрушение при высоких температурах........227
  4.9. Разрушение при усталости...............................229
  4.10. Контрольные вопросы и задания...............................235

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................238

4

ВВЕДЕНИЕ


    Создание инновационных высокопрочных материалов, обеспечивающих высокую прочность наряду с необходимыми вязкостью и пластичностью, возможно лишь на научной основе, с использованием современных достижений физики конденсированного состояния.
    Теоретический анализ и практические научные исследования в области физики кристаллических твердых тел и, прежде всего, теории несовершенств кристаллического строения, позволяют разработать физически обоснованные пути создания надежных высокопрочных материалов.
    В данном учебнике рассмотрены вопросы взаимосвязи механизмов взаимодействия дефектов кристаллического строения с формированием структуры и свойств высокопрочных сплавов, а также изложены основные направления современных методов упрочнения металлов и сплавов путем деформации, легирования, термической обработки.
    В учебнике описаны представления о высокопрочном состоянии, теоретической прочности металлов. Изложены основы различных механизмов упрочнения (деформационного, твердорастворного, зернограничного, субструктурного, упрочнения при фазовых (мартенситном) превращениях).
    В заключительной части учебника рассмотрены основы процесса разрушения сплавов. Дана количественная оценка влияния упрочнения на формирование механических свойств (предела текучести, равномерной деформации, температуры вязко-хрупкого перехода) в зависимости от параметров структуры, формирующейся при реализации различных механизмов упрочнения и их суперпозиции.

5

            1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ И ВЫСОКОПРОЧНОЕ СОСТОЯНИЕ


1.1. Понятие о высокопрочном состоянии
    Под конструктивной прочностью понимают комплекс механических свойств, находящихся в соответствии с конструктивной прочностью изделия или конструкции. В каждом конкретном случае, для каждого изделия или группы изделий, этот комплекс свойств включает различные критерии механических свойств. Установление их для конкретных целей является весьма сложной задачей.
    Основные принципы оценки конструктивной прочности по характеристикам сопротивления деформации и разрушению в зависимости от условий и требований эксплуатации впервые освещены в трудах Я. Б. Фридмана и др.
    Конструктивную прочность необходимо связывать с различными видами нарушения прочности. Различают следующие основные виды нарушения прочности: текучесть или чрезмерная пластическая деформация, вязкое и хрупкое разрушения, усталость, потеря устойчивости, ползучесть или замедленное разрушение. Поэтому следует различать высокопрочное состояние по отношению к каждому из видов нарушения прочности. Говоря о высокопрочных сплавах, различают собственно их прочность (ов, От) и конструктивную прочность (комплекс свойств). Сплавы, применяемые для изготовления отдельных деталей и узлов машин, механизмов и конструкций, являются конструкционными. Они в большинстве случаев должны иметь высокую прочность при растяжении и вязкий характер разрушения. Так, для большинства конструкционных сталей важнейшими (но не единственными) параметрами конструктивной прочности являются предел текучести От, температура вязко-хрупкого перехода Тпр и параметр вязкости разрушения Кic.
    На рисунке 1 приведена диаграмма конструктивной прочности, на которой указаны области значений От и Кic для различных групп конструкционных сталей. Хорошее сочетание собственно прочности и вязкости разрушения достигается в метастабильных аустенитных сталях (MAC), в сталях со сверхмелким зерном (СМ3), в сталях после термомеханической обработки (ТМО) и в мартенситно-стареющих сталях (МСС). Однако для всех перечисленных сталей высокое легирование и сложная термообработка обусловливают большую стоимость изделий из них.
    Для конструкционных легированных сталей после закалки и отпуска (КЛС) и малоуглеродистых низколегированных в горячекатаном (или нормализованном) состоянии (НЛС) достигается высокая прочность и низкие значения вязкости разрушения (область КЛС), либо, наоборот, низкая прочность и высокие значения вязкости разрушения (область НЛС). Из приведенного примера видно, что повышение конструктивной прочности неотделимо от экономических затрат, однако рациональное сочетание упрочнения и затрат должно оцениваться в каждом отдельном случае, исходя из выгод, получаемых от повышения надежности и долговечности изделий.

6

Рис. 1. Диаграмма конструктивной прочности конструкционных сталей
(О. Н. Романив): MAC - метастабильные аустенитные стали; СМ3 - стали со сверхмелким зерном; ТМО - стали после термомеханической обработки; МСС - мартенсито-стареющие стали; КЛС - конструкционные легированные стали (0,3-0,6 % С); НЛС - низколегированные малоуглеродистые стали (при <0,2 % С);
ПП - эвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита

    Необходимо отметить, что связь прочности и температуры вязко-хрупкого перехода для различных групп сталей будет характеризоваться диаграммами, аналогичными приведенной на рисунке 1, с той лишь разницей, что по оси ординат будут отложены значения Тпр.
    Для ряда конструкционных легированных и особенно для малоуглеродистых низколегированных сталей оценка свойств по параметру Тпр более удобна, чем по параметру Кic, так как определение последнего при прочности < 1000-1200 МПа затруднено.
    Между другими характеристиками механических свойств также существует определенная связь. Так, предел выносливости коррелирует с временным сопротивлением. Отношение or / ов для многих сталей составляет 0,4-0,6. Для латуней и бронз 0,3-0,5, а для алюминиевых сплавов 0,25-0,4 (В. С. Золоторевский). Однако упрочнение сплава (повышение ов и От), с одной стороны, будет приводить к затруднению зарождения трещины усталости, а с другой стороны, понижать пластичность, что приведет к более легкому распространению уже возникшей (например, на включении или надрезе) усталостной трещины. Поэтому рост временного сопротивления выше определенного значения приведет к снижению отношения or / ов (рис. 2).

7

Рис. 2. Зависимость отношения or/ ов от временного сопротивления для различных конструкционных сталей (Тетелман, Мак Эвели)

    Для конструкционных сталей такое уменьшение отношения наступает для гладких образцов чаще всего при ов > 1200-1300 МПа. Высокопрочные стали могут иметь даже худший предел выносливости, чем менее прочные стали. Это связано с тем, что в высокопрочной стали надрезы, включения и другие дефекты способствуют усталостному разрушению. По этой причине к чистоте и качеству поверхности высокопрочных сплавов предъявляются повышенные требования.
    Понятие «высокопрочный сплав» относительно. Если же говорить, о собственно прочности (ов. от), то по этому признаку к высокопрочным машиностроительным сталям относятся стали, имеющие временное сопротивление ов > 1600 МПа или предел текучести От > 1400 МПа. Следовательно, высокопрочными являются конструкционные закаленные и низкоотпущенные стали, легированные дисперсионно твердеющие с карбидным упрочнением, мартен-ситно-стареющие и др.
    К высокопрочным строительным сталям относятся стали, имеющие от > 400 МПа. Такой критерий обеспечивается для сталей с карбонитридным упрочнением после контролируемой прокатки, для низколегированных -после закалки и отпуска и др. К высокопрочным титановым сплавам относят материалы с ов > 1000 МПа, а высокопрочным алюминиевым - сплавы с ов > 400 МПа. из сравнения этих групп видно, насколько различаются их критерии высокой прочности.
    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. Насколько значительна экономия металла от повышения прочности строительной стали, хорошо видно на примере замены угле

8

родистой стали в строительных металлических конструкциях низколегированными сталями более высокой прочности (рис. 3). Так, увеличение предела текучести, являющегося основной расчетной характеристикой при проектировании металлоконструкций, с 250 МПа (углеродистая сталь Ст3) до 400-450 МПа (низколегированная сталь 16Г2АФ) позволяет снизить расход металла на 30-50 %.
    Как известно, 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). При разработке высокопрочных сплавов не ограничиваться установлением связи между структурой и параметрами собственно прочности, таких как предел текучести и временное сопротивление. Необходимо также изучать связь структуры с параметрами конструктивной прочности. Установление подобной корреляции возможно лишь на основе знаний механизмов упрочнения сплавов. Поэтому изучение физических основ отдельных механизмов упрочнения и совместного их влияния является главным путем научного подхода к созданию высокопрочных сплавов.

Рис. 3. Теоретическое снижение массы стальных металлоконструкций при повышении предела текучести стали щ (Н. П. Мельников): 1 - пролетные строения; 2 - растянутые элементы конструкций; 3 - поперечники промышленных зданий

    На основе достижений металлофизики высокопрочных сплавов в настоящее время получен широкий диапазон прочностных характеристик у различных материалов на основе железа (табл. 1): от 20 до 5000 МПа.

9

Таблица 1

Прочностные характеристики железа и стали

                                                              Достигнутый уровень  
                Материал, его характеристика                    прочности, МПа     
                                                                  Пт        Пв    
Железо высокой чистоты (С+М) < 10-7 %, монокристалл             20-30       50    
Железо техническое, поликристалл                               100-150   200      
Сталь малоуглеродистая, < 0,2 % С, горячекатаная                 250     400      
Сталь низколегированная малоуглеродистая, нормализованная        400     600      
(типа 16Г2АФ)                                                                     
Сталь среднеуглеродистая, 0,3-0,4 % С, закалка с отпуском        600     800      
Сталь углеродистая, эвтектоидная, закалка с отпуском             800     1000     
Сталь легированная среднеуглеродистая (типа 40ХН, 30 ХГСА):                       
- закалка с высоким отпуском                                     1000    1300     
- закалка с низким отпуском                                      1500    1800     
Сталь легированная дисперсионно-твердеющая (типа 40Х5МФ),        2000    2200     
закалка с отпуском                                                                
Сталь легированная, термомеханическая обработка               2500-3000  3000-3500
Сталь легированная, патентированная, холоднотянутая проволока     -          -    
Нитевидные кристаллы железа (усы)                             1000-13000 4800-5200

     Минимальная прочность достигнута для монокристалла железа высокой степени чистоты (содержание примесей <10⁻⁷ %). Полученные на таком материале значения прочности близки к рассчитанному напряжению Пайерлса-Набарро для решетки а-железа (17 МПа). По мере увеличения концентрации примесей (легирования) и применения все более сложных обработок железных сплавов достигнут уровень прочности около 5000 МПа (тонкая проволока). Максимальная прочность достигнута в настоящее время для бездефектных нитевидных кристаллов (усов). Такие кристаллы железа имеют прочность около 10000-13000 МПа.


1.2. Теоретическая прочность при сдвиге

     Теоретическая прочность металлов впервые была рассчитана в 1926 г. известным советским физиком Я. И. Френкелем. Впоследствии принципы, заложенные в этот расчет, были уточнены и дополнены Дэном Маккензи (1949 г.), Эгоном Орованом (1949 г.) и др.
     Во всех случаях прочность рассчитывали исходя из взаимодействия атомов в идеальной кристаллической решетке металла. Я. И. Френкель выполнил расчет теоретической прочности кристалла при сдвиге одной плоскости относительно другой. Было учтено взаимодействие двух рядов смещаемых атомов под действием напряжения сдвига (рис. 4, а).


10

Рис. 4. Схема скольжения в кристалле (по Я. И. Френкелю): а - совершенный кристалл до деформации;
б - деформация сдвига х = ¹/z; в - деформация сдвига х = b;
г - изменение напряжения сдвига в зависимости от деформации

    В расчете принимали во внимание взаимодействие атомов А-А', А'-В, В-В', В'-С и т. п. и не учитывали взаимодействия А-В, В-С, А'-В' и т. п. Под действием приложенного напряжения верхняя плоскость /1 'Б'C'D' смещается над плоскостью ABCD. Межплоскостное расстояние равно h, а расстояние между атомами в плоскости скольжения - b. При смещении на величину х = b/2 атом А' находится в равновесии, испытывая одинаковое взаимодействие с атомами А и В. Такое равновесие неустойчиво.
    При смещении на величину х = b атом А' располагается над атомом В,В' над С,С' над D. При этом, как и в исходном состоянии, наблюдается устойчивое равновесие. В состоянии устойчивого и неустойчивого равновесий т = 0. Максимальные значения напряжения сдвига tₘₐₓ наблюдаются при смещении на величины x = b/4, х = 3b/4 и т. п.; при промежуточных положениях напряжение изменяется от 0 до Tmax, изменяя знак отх = b/2 дох = b. Изменение напряжения является периодической функцией с периодом х = b. Приняв синусоидальный закон распределения напряжения (рис. 4, г), получим
т = ksin^^,                        (1)
где k - коэффициент.
    При малых смещениях, т. е. х, близких к0, -, b ит. д., можно принять
т =   ".' ²                      (²)

11

    В этом случае также соблюдается закон Гука, т. е.

¹=Gl)

(3)

где G - модуль сдвига; ⁷ - деформация сдвига. h

Приравнивая (2) и (3), определяем, что        
                                   Gb         
                               к = " 2---h (4)

    Тогда
’ = (£ИРЯ                П (’)
    Как указывалось, ттах достигается при х = -; в этом случае sin — = 1. Тогда

Gb
Т—
²—Х теор тах

(6)

     Для металлов с кубической решеткой можно ориентировочно принять, что h ® b. (Для металлов с ГЦК-решеткой h = bV3). Тогда
Ттеор. = 2—~ 0,15 G                    (7)

     Формула (7) показывает, что теоретическая прочность по Я. И. Френкелю определяется модулем сдвига. В таблице 2 приведены значения теоретической прочности по Я. И. Френкелю Тр^ор для различных металлов в сопоставлении

с прочностью реальных монокристаллов Треал тех же металлов.

Таблица 2

Теоретическая прочность металлов по Я. И. Френкелю Тр^ор

Ме-  Треал?  G,     фр          Треал?  G?    фр  
талл  МПа    ГПа  1Теор? Металл  МПа   ГПа  1Теор?
                   ГПа                       ГПа  
Fe     20   84,0  12,6     Au    0,9   28,0 4,2   
W      -    154,0 23,1     Al     2    27,3 4,1   
Си     1    46,0   6,9     Zn    0,95  39,2 5,9   
Ag    0,6   29,0   4,3                            

     Как известно, величина модуля сдвига зависит от направления сдвига, т. е. от системы скольжения в монокристалле. В расчете Я. И. Френкеля этот фактор не учитывается, поэтому за модуль сдвига принимается его средняя величина, характерная для поликристаллов.
     Прочность реальных монокристаллов металлов составляет около (10 ³...10 ⁴) G, что на 2-3 порядка меньше теоретической прочности. Такое существенное различие между реальной и теоретической прочностью, выявленное в расчете Я. И. Френкеля, послужило толчком к созданию теории дислокаций, позволившей объяснить отмеченное несоответствие и явившейся новой научной базой для понимания и решения многих проблем металлофизики

12