строение (557054), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Глава В ПОВЕДЕНИЕ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕАСТВИЙ В 1. Высокие температуры Повышение температуры существенно влияет на структуру н свойства материалов: снижается прочность, увеличивается пластичность, более интенсивно проходят процессы окисления. Скорость разупрочнення материалов прн возрастании температуры неодинакова. Имея одинаковую прочность прн комнатной температуре, с повышением температуры один материал быстро ее теряет, у второго разупрочнение незначительно. Падение прочностных и повышение пластических свойств прн возрастании температуры связано с ослаблением межатомных связей, возрастанием интенсивности диффузионных процессов, которые изменяют исходную структуру и свойства. С повышением температуры существенно возрастает число вакансий, увеличивается подвижность точечных дефектов. При высоких температурах диффузия приводит к перемещению дислокаций путем переползания, что дает нм как бы дополнительную чстепень свободы», прн этом наблюдается также аннигиляция н перераспределение дислокаций, т.
е. разрушается первоначальная днслокацнонная структура. Длительное воздействие температуры может привести к значительным структурным изменениям, связанным с потерей упрочнения, полученного прн термической обработке (распад пересьпценных растворов, коагуляцня и растворение упрочняющих фаз), а также с потерей упрочнення, вызванного пластической деформацией нз-за прохождения процессов возврата и рекрнсталлнзации. Высокие температуры вызывают более интенсивное разупрочнение границ зерен по сравнению с объемом зерна. При температуре ниже температуры равнопрочностн гр (рис. 98) разрушение развивается по объему зерна, так как зерна менее прочны. Прн температуре выше 1р характер разрушения меняется, н оно протекает по границам зерен вследствие особенностей строения границ, размещения на них легкоплавких примесей н поэтому нх прочность становится меньше прочности объема зерна.
Таким образом, для работы в области высоких температур сплавы должны иметь более крупное зерно. В крупнозернистой структуре меньше протяженность границ, слабее выражена ползучесть по границам н диффузионный перенос. Г1овышение температуры облегчает процессы ползучести, сокращает продолжительность стадии установившейся ползучести и ускоряет разрушение. Температурный интервал работы полимерных материалов ниже, чем у металлов. Термопластичные полимеры с лннейной н разветвленной структурой имеют сравнительно невысокую теплостойкость: рабочая температура карбоцнклических полимеров со связью С вЂ” С составляет 60... 100 'С (за исключением фторопласта-4, который теплостоек до 300 'С). Замена углерод-углеродной связи на гетероцнклическую, например — 51 †Πопределяют повышенную теплостойкость кремннйорганнческих смол до 350 'С.
Тепло- стойки полимеры с циклической и гетероцнклнческой структурой (полннмнды, полнфеннлены и т. д.). Теплостойкость связана с величиной внутрнмолекулярных связей н с силами межмолекулярного взаимодействия, а также зависит от структуры макромолекул. Прн переходе от линейной структуры к сетчатой н к паркетной теплостойкость увеличивается. Г1рн повышенных температурах происходит тепловое старение — химический процесс постепенного разрушения структуры макромолекул н последукхцей термической н термоокислнтельной деструкцией полимера. Иногда деструкция протекает до образования мономера, в других случаях образуются коксованные продукты, которые имеют графнтизнрованную структуру н могут играть роль теплоизоляционных н теплозащнтных материалов.
Керамические неметаллические материалы самыетеплостойкие. Наиболее высокой термостойкостью (способностью выдерживать без разрушения неоднократные и быстрые изменения температуры) нз оксидных керамнк обладают спеченные оксид алюминия (П!) 1а-А1»0» (корунд); Г„, = 2050 'С)1 н окснд бернллня (ВеО; г'„, = 2510'С), которые могут длительно работать в окнслительной среде при г' — 2000 'С. Для бескнслородной керамики Г„, — 2500 ... 4000 'С н нх рабочая температура в окнслнтельной среде не превышает 900 ... 1000 'С.
Поэтому наиболее полное использование свойств этих материалов прн высоких температурах возможно в нейтральной„ восстановительной среде илн в вакууме. Исключение составляют соединения кремния (51С, 51»Ы,), у которых прн высоких температурах на поверхности об- Г. ° й 2. Ннзкне температуры Механические свойства металлов прн низких температурах значительно отличаются от свойств прн нормальных температурах. Прн понижении температуры межатомные расстояния уменьшаются, что прнводнт к увеличению модуля упругости вплоть до температуры 77 К. Ниже этой температуры рост модуля замедляется, а вблизи абсолютного нуля становится температурно независимым.
На практике учитывают, что уменьшение температуры на 1 К увелнчнвает объемный модуль упругости на 0,03 %. С поннженнем температуры увеличивается предел текучести большинства металлов. Особенно это относится к металлам с о. ц. к. н г. п.у. решетками, прн этом возрастает вклад двойннковання в общую деформацию. Металлы с г. ц. к. решеткой, содержащие малые концентрации примесей, имеют более слабую температурную зависимость предела текучести, в то время как предел прочности возрастает, а плас7нчность сохраняет достаточно высокий уровень. Этим объясняется надежность нх работы прн температурах глубокого холода. Пластичность о. ц. к.
металлов определяется концентрацией примесей, прежде всего внедрения. Если г. ц. к. металлы мало чувствительны к примесям прн нх содержании ( 1 %, то металлы с о. ц. к. решеткой переходят в хрупкое состояние прн содержании примесей внедрения в количестве сотых н даже тысячных долей процента. По склонности к хрупкому разрушению г. п, у. металлы заннмают промежуточное положение между о. ц. к. н г. ц. к. (рнс.
102). Основная роль двойннковання у ннх Ф'~~ заключается в активизации небазнсных Та систем скольжения. На рнс. !02 приведены зависимости т; пределов текучести от гомогологнческой Ж7 температуры (отношенне температуры испытания к температуре плавления) гу77 ж для металлов с гранецентрнрованной, объемноцентрнрованной н гексагональд~ ной плотноупакованной крнсталлнческими решетками. Пределы текучести ° ггдлл г. ц, к. металлов (А1, Ы1) мало завнсят от температуры, о.
ц. к. металлов (У, ЫЬ, Та, Ее) н г. и. у. металлов (Т1) Заансимость предела от пРииеденнои тем. Р . 7РУ. текуеестн пературм 1бб разуется слой оксида кремния 510„ предохраняющий материал от дальнейшего окисления н повышающнй нх рабочую температуру до 1500 ... 1700 'С. Графит н его разновидности являются самыми высокоогнеупорными материалами, позволяющнмн эксплуатировать конструкции прн высоких температурах () 3000 'С) н резких теплосменах. возрастают с ее понижением, причем у первых темп роста значительно выше.
Влияние температуры на характер разрушения было показано на рнс. 88. Смена одного вида разрушения другим определяется соотношением значений предела текучести от н разрушающего напряжения а„р. Температурная зависимость от н о„р имеет различный характер, так как в соответствии с этой схемой от н о„р друг с другом не связаны. Согласно соотношению Холла— Пэтча О, = Ое+ йбГ '~, (13) где о, — предел текучести; оо — напряженке трения крнсталлнческой решетки; й — постоянная; б( — днаметр зерна.
Напряжение трения кристаллической решетки связано с температурой следующей зависимостью: — зг об= Ье где Ь н р — постоянные. Разрушающее напряжение равно Оетр = (4Г777( Уй), (15) где 6 — модуль сдвига; у — эффективная поверхностная энергия разрушения; й — постоянная; г77 — диаметр зерна. С понижением температуры напряжение трения решетки, а следовательно, н предел текучести резко возрастают, в то время как разрушающее напряженке от температуры существенно не зависят.
Вязкость разрушения (К„) связана с характеристиками прочности материала. Материалы средней н низкой прочности в отлнчне от высокопрочных прн комнатной температуре имеют достаточно высокие значения К„. С понижением температуры ситуация меняется, особенно для сплавов, имеющнх о. ц. к. н г. и, у. кристаллические йу777Р решетки. С понижением температуры ° ~ прочность металла растет, н прн опре- уду деленных условиях поведение матернала средней н низкой прочности стано- 7777 г внтся таким же, как у материала высокой прочности (проявляется склонность к хрупкому разрушению).
Для тита- ба ° новых сплавов н для высокопрочных сталей значение К„падает прн умень- лу шенк н температуры, однако алюмннневые сплавы сохраняют высокую вязкость разрушения вплоть до температур, бЛИЗКИХ К абСОЛЮтНОМу НУЛЮ. Рис. 103. Зааисимость РааРуПОЛНМЕръ7 раэрущак7тея Пря ННЗКНХ шнюнаего напРЯженна пРи Рас- тяжении от деФормапнн (77 К) тЕМПЕратураХ бЕЗ ПраяВЛЕНИя ОСтатОЧ- полнсульФона <!д полнкаубо. ных деформаций, что приводит к нан- пдй.б 7Р7д более опасному типу разрушения — хрупкому. Термопластичн~е полимеры при 60...
100 С переходят в хрупкое состояние, бол' шинство каучуков при этих же температурах также становят~~ хрупкими. Термореактивные смолы морозостойки от — 70 до — !00 'С. При использовании армированных композиций материалов с волокнистым наполнителем морозоустойчивость материала выше, поскольку неорганические волокна имеют низкую температуру хрупкости и после разрушения смолы остаточная прочность определяется механической прочностью волокон.
При криогенных температурах (4,2 ... 77 К) работоспособны аморфные ароматические полимеры с сетчатой термостабильной структурой. Их механические свойства определяются также гибкостью основной цепи и склонностью к вынужденно-эластической деформации. На рис. 103 представлена зависимость прочности от деформации при — 196 'С различных полимеров. Наибольшие значения прочности при этой температуре имеют ароматические полиэфиры, полиеульфоны и модифицированный поликарбонат. й 3.
Радиационное облучение Радиационное облучение материалов обусловлено мощным радиационным полем вокруг Земли. Это прежде всего корпускулярная радиация — электроны и протоны, захваченные магнитным полем Земли. Это космические лучи — частицы высоких энергий, приходящие из глубин галактики и других областей Вселенной. Это солнечные космические лучи — потоки частиц, генерируемые Солнцем во время некоторых вспышек. Это, наконец, солнечный ветер— постоянный поток корпускул, распространяющихся от Солнца и заполняющих все межпланегное пространство (протоиы и а-частицы). Воздействие электронного и протонного излучений на металлы и сплавы исследовано недостаточно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
