Микромеханические исследования свойств металлов и сплавов

Максимович Г.Г.

Наукова думка, 1984 г.

Многие машины и аппараты, применяемые в современной технике, предназначены для работы в широком диапазоне температур, нагрузок, скоростей, деформаций и т. д. при воздействии различных рабочих сред. В связи с этим комплекс требований, предъявляемых к современным материалам, весьма разнообразен. Наряду с высокой прочностью важное значение имеют данные о деформируемости и коррозионной стойкости конструкционных материалов, а также о стабильности структуры и свойств их в течение заданного ресурса эксплуатации. Многие конструкционные материалы, используемые в ряде областей новой техники, должны обладать не только заданной прочностью в сложных условиях эксплуатации, но и обеспечивать повышенную надежность работы изделий при сравнительно малых запасах прочности.

Многообразные требования, предъявляемые к изделиям новой техники, достижения физики металлов и металловедения, разработка и все более широкое применение ранее неизвестных металлических материалов определяют развитие новых методов исследования. Интегральная оценка свойств деталей машин и элементов конструкций не всегда является достаточной. Часто необходим дифференцированный подход к оценке физико-механических свойств материалов, важно знание закономерностей изменения свойств по сечению и даже по объему изделия в зависимости от технологических и конструкционных факторов, остаточных напряжений и других особенностей. Веским аргументом применения локального изучения свойств материалов, т. е. их малых объемов, является неоднородность большинства технических сплавов, обусловленная как неодновременной кристаллизацией по сечению изделия, волокнистостью структуры, так и различной пластической деформацией по объему. Проведение испытаний на образцах малых размеров необходимо также и в ряде отраслей новой техники, в том числе в атомной энергетике, ракетной технике, в связи с дефицитностью и дороговизной применяемых материалов, а также при изыскании новых сплавов, предназначенных для работы в сложных условиях эксплуатации. Особое место занимают вопросы изучения стабильности физико-механических свойств материалов. Эти работы, требующие проведения сравнительно большого количества экспериментов, трудно осуществить на образцах гостовских размеров. Важные проблемы возникают при исследовании масштабного эффекта. Проблемы температурной и временной инверсии повышения характеристик механических свойств материалов вследствие предварительного нагружения также удобно решать с помощью микромеханических методов.

Перечисленные и многие другие задачи обусловили разработку ряда новых методик, разработку и создание специальных испытательных машин и установок. В настоящее время широко применяются микроскопические методы исследования структурных изменений и кинетики развития трещин в деформируемом материале. Во многих случаях незаменимыми являются методы определения микротвердости материалов, а также методы изучения важнейших механических свойств весьма малых образцов.

Итоги исследований физико-механических свойств материалов при деформации и разрушении микрообразцов подведены более двадцати лет тому в известной монографии И. М. Ройтмана и Я- Б. Фридмана. На протяжении последних двух десятилетий в трудах советских и зарубежных ученых эти работы получили дальнейшее развитие. Задачей настоящей монографии является обсуждение и некоторое обобщение методических вопросов и результатов по исследованию физико-механических свойств материалов при деформации и разрушении микро-образцов.

В первой части книги рассматриваются методы и средства микромеханических исследований свойств материалов. Основное внимание уделяется машинам и установкам для испытания микрообразцов при нагружении растяжением. Дана их классификация как по видам нагружения (кратковременное, длительное, переменное и ударное) и температуре испытания (комнатная, повышенная и пониженная), так и по рабочим средам, в которых можно испытывать микрообразцы. Приводится описание отдельных машин и установок, в том числе многопозиционных, «для испытания микрообразцов в различных условиях.

Вторая часть посвящена изложению результатов, полученных методом микромеханических исследований сталей типа 1Х18Н9Т. В первую очередь, это работы, выполненные автором и его сотрудниками в Физико-механическом институте (ФМИ) АН УССР, направленные на изучение изменения физико-механических свойств сталей в зависимости от условий и режимов их предварительного нагружения и последующего испытания. При этом выявлены некоторые закономерности — показано, что всегда можно определить условия нагружения, обеспечивающие заданную стабильность свойств материала. На этом основании вводятся критерии, которые являются дополнительной характеристикой свойств материалов, особенно важной для обеспечения повышенной надежности работы изделий.

Дальнейшее развитие и широкое применение микромеханических исследований будет способствовать решению ряда важных проблем в области физики металлов и металловедения, а также новых технологических задач во многих областях машиностроения и энергетики.