Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

Зависимости долговечности т материала от напряжения о и температуры Т, аналогичные экспериментально установлен­ ному уравнению (4), получены путем теоретического рассмот­ рения дислокационных механизмов зарождения и роста трещин, кинетических свойств дислокаций.

Уравнение (4) можно использовать для определения дли­ тельности эксплуатации материалов в нагруженном состоянии до разрушения при практических расчетах прочности. При этом необходимо иметь в виду, что для очень малых напряжений

Рис. 7. Зависимость энергии акти­

вации U процесса разрушения от напряжения о

товленных из одного материала, является случайной величиной (зависящей от случайных размеров и распределения элемен­ тарных дефектов в образцах материала), распределяющейся по некоторому вероятностному закону. Временная зависимость отражает внутренний механизм разрушения твердых тел, так как обусловлена тем, что само разрушение представляет собой развивающийся во времени процесс; уменьшению прочности нагруженного образца способствуют побочные процессы,

условиях практически определяется влиянием атмосферной влаги.

При отсутствии поверхностно-активной среды временную за­ висимость прочности этих материалов можно определить из сле­

где Ло и а — постоянные коэффициенты, определяемые свойст­ вами материала и температурой. Уравнения (4) и (7) описыва­

ют временную зависимость прочности многих материалов (твер­ дых полимеров, металлов и сплавов) в условиях сравнительно слабого поверхностно-активного действия атмосферы на процес­ сы механического разрушения этих материалов.

Уравнение (4) показывает, что разрушение может происхо­ дить при напряжениях, меньших предела прочности, и что раз­ рывное напряжение зависит от времени действия приложенной нагрузки и от температуры материала. Таким образом, вопрос, какую нагрузку способен выдержать материал детали, т. е. ка­ ково его сопротивление разрыву, не имеет однозначного ответа без указания времени, в течение которого данный материал дол­ жен оставаться под нагрузкой.

Кинетическая теория прочности подчеркивает необходимость учета влияния теплового движения (флуктуации тепловой энер­ гии) на процессы деформирования и разрушения, особенно в их начальной стадии. Процесс разрушения при нагрузках ниже кри­ тической не может происходить при отсутствии теплового движе­ ния атомов и молекул, которое является фактором, принципи­ ально обусловливающим разрыв материала при нагрузках, меньших критической. На основании уравнения (4) можно сде­ лать вывод, что разрушение следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер U0, сниженный в результате действия на­ пряжений на величину уа. При этом физический смысл величин, входящих в уравнение (4), совпадение величины т0 с периодом атомных колебаний показывают, что процесс разрушения пред­ ставляет собой ряд элементарных актов, связанных с тепловым движением атомов и молекул.

Следует иметь в виду, что в настоящее время ряд вопросов физической теории разрушения твердых тел еще требует своего решения. Так, еще не решен окончательно вопрос о связи между процессами деформирования и разрушения твердых тел, в част­ ности вопрос, какой из этих процессов и при каких условиях яв­ ляется ведущим. Согласно кинетической теории прочности в твердом теле под нагрузкой одновременно развиваются процес­ сы как деформирования, так и разрушения, связанные между собой. Связь этих процессов характеризуется, например, тем, что произведение долговечности т, определяемой уравнением (4), и скорости деформирования (скорости установившейся ползуче­ сти #е), определяемой уравнением (5), является постоянной ве­ личиной, не зависящей от температуры и напряжения:

Величина энергии активации ползучести для исследованных материалов достаточно точно совпадает с величиной энергии ак­ тивации разрушения [57].

Процессы механического разрушения металлов и сплавов.

У металлов температурно-временная зависимость прочности,

возникновение и развитие микротрещин обусловлены в основ­ ном двумя процессами: разрывом межатомных связей вследст­ вие тепловых флуктуаций и направленной диффузией вакансий к трещинам.

Первый процесс полностью характеризуется уравнением (4). Согласно теориям, объясняющим механическое разрушение ме­ таллов диффузионными процессами, нарушения сплошности ме­ талла возникают и развиваются в результате диффузии, именно в результате направленной диффузии вакансий к трещинам (ро­ ста трещин в результате образования вакансий). Изменение скорости разрушения при изменении температуры согласно тео­ рии диффузионного механизма разрушения обусловлено различ­ ным соотношением скоростей накопления (коагуляции) вакан­ сий и их рассасывания. Для диффузионного механизма разру­ шения получена следующая температурно-временная зависи­ мость прочности [57]:

где С = 1 = const;

Е — модуль упругости;

о— действующее напряжение;

а— атомный размер;

п0 — количество объединившихся вакансий.

Как видно из последних уравнений, увеличение коэффициен­ та самодиффузии D должно уменьшить при прочих равных усло­ виях долговечность материала; величина начального активаци­ онного барьера (энергия активации разрушения) определяется энергией активации объемной самодиффузии; напряжение а

Исследования А. В. Савицкого показали, что энергия актива­ ции процесса разрушения металлов и сплавов U0 по своей при­ роде, по характеру влияния различных факторов соответствует не энергии самодиффузии, а энергии сублимации) табл. 1), т. е. энергии разрыва межатомных связей в решетке. Таким образом, энергия активации U0 является параметром, характеризующим силы связи в материале.

Непосредственные измерения величин энергии активации разрушения, энергии самодиффузии и энергии сублимации для ряда металлов и сплавов и исследование характера их изменения показывают, что в области больших напряжений и сравнительно низких температур (меньших 0,5 Тпл, °К; Тпл — температура плавления) действует механизм разрушения, обусловленный процессом последовательного флуктуационного разрыва атом­ ных связей в кристаллической решетке, и, следовательно, спра­ ведливо уравнение (4); в области малых напряжений и высоких температур действует диффузионный механизм разрушения, ос-

Энергия активации U0 и энергия сублимации Е^

некоторых металлов

нованный на росте трещин путем образования ваканский или на образовании очагов разрушения связей в месте скопления избы­ точного числа вакансий, т. е. справедлива зависимость (9). В последнем случае флуктуационный процесс разрушения ока­ зывается сильно заторможенным процессом, протекающим вследствие высокой скорости диффузии.

Параметры (У0, т0 и у, полностью характеризующие в «низко­ температурной» области прочностные свойства металлов и спла­ вов во времени (как при процессах разрушения, так и при про­ цессах деформирования), являются недостаточными для описа­ ния этих свойств при переходе в «высокотемпературную» область, где проявляется новый фактор— диффузионная под­ вижность атомов. Влияние диффузионной подвижности атомов на механизм разрушения становится при некоторых условиях преобладающим.

В низкотемпературной области, для которой справедливо уравнение (4), из трех параметров уравнения (U0, т0 и у), ха­ рактеризующих семейство временных зависимостей при разных температурах Т, только у изменяется при термической обработ­ ке, наклепе и легировании, т. е. является структурно-чувстви­ тельной величиной. Исследования показали, что величина у оп­ ределяется дислокационной структурой металла [10].

Исходя из представлений кинетической теории прочности, ве­ личину у считают показателем того, что на межатомные связи действуют не средние приложенные напряжения о, а существен­ но (примерно в 100 раз) большие локальные перенапряжения, возникающие на неоднородностях структуры, причем такими не­ однородностями могут быть скопления дислокаций на границах блоков (областей, относительно свободных от дислокаций, раз­ деленных границами с высокой плотностью дислокаций).

Установлена пропорциональная зависимость прочности от дислокационной структуры границ блоков и общей плотности дислокаций: повышение прочности связано с увеличением плот­ ности ND дислокаций в границах блоков.

сплавах обусловлены нестабильностью их структуры, изменени­ ем структуры под нагрузкой, т. е. непостоянством параметра этой зависимости у. В металлах указанные отклонения наблю­ даются, например, в процессе испытания при температурах, пре­ вышающих температуру отжига (или близких к ней), а также после прокатки или иного вида механической обработки, в хо­ лодном состоянии и испытании на долговечность при повышен­ ных температурах (при температурах начала рекристаллизации испытуемого металла).

В этих условиях при испытании под нагрузкой происходит процесс рекристаллизации, влияющий на дислокационную