Развитие науки о металлах
Обновлено: 04.10.2024
В России первым, кто приступил к научному осмыслению проблем металлургии и литейного дела, был М.В. Ломоносов (1711-1765гг.). Им написано первое учебное руководство “Первые основания металлургии или рудных дел”.
В этой работе он, описывая металлургическое производство, постарался вскрыть его физико-химическую суть.
Заметных успехов металловедение смогло достичь в XIX веке В первую очередь это связано с использованием новых методов исследования структуры металла.
В 1841 год П.П. Аносов провел исследование булата на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп. Им была, установлена определенная зависимость между свойствами булата и характером узора, тем самым он выявил существенное влияние процесса кристаллизации на качество булата и раскрыл тайну получения булатной стали. В своих работах П.П. Аносов изучил также роль углерода на структуру и свойства стали, а также оценил влияние и других элементов.
Своими работами П.П. Аносов стремился превратить металлургию из ремесла и искусства отдельных умельцев в точную науку. Благодаря его исследованиям на Златоустовской оружейной фабрике на Урале было организовано производство высококачественной стали.
Значительный вклад в развитие металловедения сыграли работы Сорби. Он впервые применил методы петрографии к исследованию стали, рассматривая под микроскопом травленные шлифы и делая фотографии структуры. Первые его фотографии при девятикратом увеличении были сделаны в 1864 году, а результаты опубликованы в 1878 году. В дальнейших исследованиях Сорби использовал большее увеличение, что позволило ему впервые наблюдать “составляющие перлы” - перлит (так назвал эту структуру впоследствии Хоу). Сорби установил, что перлит образуется при распаде гомогенной высокотемпературной фазы, причем его образование может подавляться при закалке. Таким образом, он совершенно отчетливо определил наличие аллотропии в стали. Ему удалось выявить ферритную структуру Видманштеттав доэвтекто- идных сталях, точно такую же, какую Видманщтетт обнаружил в Агремском метеорите в 1808 году.
Серьезного внимания заслуживают работы АС. Лаврова ъ И.В. Калакуцкого открывших в 1868 году явление ликвации в стали и установивших зависимость степени ликвации от размеров слитка.
Важную роль сыграли работы Н.В. Калакуцкого по изучению внутренних напряжений в стали и чугуне. Он впервые объяснил механизм образования этих напряжений и разработал меры по устранению остаточных напряжений.
Несмотря на проведенные многими учеными исследования, до 1868 гола металловедение как самостоятельное научное направление не существовало. В 1868 году русский ученый Д.К.Чернов, работавший в этот период на Обуховском заводе в г. Санкт-Петербурге, опубликовал свою знаменитую статью “Критический обзор статей г.г. Лаврова и Калакуцкого в стали и стальных орудиях и собственные, Д.К.Чернова исследования по этому же вопросу”. Эта статья содержала описание знаменитых точек превращения стали (точек “а” и е Ь” Чернова). Чернов установил наличие подлинной аллотропии железа и показал, что для осуществления закалки стали эвтектоидного состава она должна быть нагрета до температуры выше точки “а”. Он оценил значение точки “а” в пределах 700 - 750 °С.
Открытие Д.К.Черновым критических точек заложило теоретический фундамент металловедения сталей, на основе которого стала интенсивно развиваться металловедческая наука.
В частности, оно послужило исходной предпосылкой для построения диаграммы состояния “железо - углерод” , а также для определения истиной роли термической обработки в формировании структуры стали,.
В 1878 году Д.К. Чернов в работе “Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок” предложил теорию кристаллизации стального слитка. В ней он описал порядок образования и роста дендритов, привел схему структурных зон слитка и объяснил процесс образования различных дефектов в слитке (усадочных раковин и пористости, газовых пузырей и трещин). Здесь же он впервые высказал идеи об образовании центров кристаллизации и скорости их роста.
История развития науки о металлах.
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях производства.
В древности и в средние векасчиталось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы – вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале XVIII в.получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» – флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 металлов (Au, Ag, Cu, Sn (олово), Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В конце XVIII в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы – простые вещества. В 1789 Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn). По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало.
Согласно периодической системы Д.И. Менделеева в природе насчитывается 107 химических элементов, из которых 85 элементов – металлы и лишь 22 – неметаллы. В настоящее время периодическая система насчитывает 111 элементов.
В конце XIX – начале XX вв. получила физико-химическую основу металлургия– наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от химического состава и строения.
Основы современного металловедения заложили выдающиеся русские ученые-металлурги Павел Петрович Аносов (1799–1851) и Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921), впервые обосновав влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла.
П.П. Аносов разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г., разрабатывая способ получения булата, изучал под микроскопом строение отполированной поверхности стали, предварительно протравленной кислотой, т.е. применял так называемый метод микроанализа.
Булат (от перс. пулад — сталь), булатная сталь, углеродистая литая сталь, которая благодаря особому способу изготовления отличается своеобразной структурой и видом («узором») поверхности, высокой твердостью и упругостью. Узорчатость булатной стали связана с особенностями выплавки и кристаллизации. С древнейших времен (упоминается Аристотелем) идет на изготовление холодного оружия исключительной стойкости и остроты – клинков, мечей, сабель, кинжалов и др. Булат производили в Индии (под названием вуц), в странах Средней Азии и в Иране (табан, хорасан), в Сирии (дамаск, или дамасская сталь). Впервые в Европе литой булат, аналогичный лучшим старинным восточным образцам, получен на Златоустовском заводе П.П. Аносовым.
Аносов Павел Петрович [1799, Петербург, — 13(25).5.1851, Омск], русский металлург. Родился в семье секретаря Берг-коллегии, который в 1806 был назначен советником Пермского горного управления и переехал с семьей в Пермь. Вскоре родители Аносова умерли, и он воспитывался у деда, служившего механиком на Камских заводах. В 13 лет Аносов поступил в Петербургский горный кадетский корпус (будущий Горный институт), который окончил в 1817. В том же году поступил на Златоустовские казенные заводы, основанные при Петре I. Спустя 2 года написал свою первую работу «Систематическое описание горного и заводского производства Златоустовского завода». Этот труд показал не только широкий кругозор Аносова (завод включал доменные печи, передельные и кричные фабрики, рудники по добыче железной руды, плотину с установленными на ней водяными колесами и др.), но и редкое умение обобщать и анализировать фактический материал. В 1819 Аносов назначен смотрителем Оружейной фабрики, в 1824 ее управителем, в 1829 директором этой фабрики, а в 1831 одновременно и горным начальником Златоустовских заводов. На Златоустовских заводах Аносов проработал около 30 лет, дослужившись до звания генерал-майора корпуса горных инженеров. В 1847 назначен начальником Алтайских заводов, где работал до конца жизни.
В районе Златоуста Аносов вел большие работы по изысканию месторождений золота, железных руд и др., занимался совершенствованием добычи и обработки металлов. Изобрел новые золотопромывальные машины, получившие распространение на Урале. Предложил использовать паровую машину для механизации труда в золотопромышленности. Первый номер «Горного журнала» (1825) открывается трудами Аносова по геологии.
Всемирную известность приобрели работы Аносова по производству стали. В 1827 Аносов опубликовал труд «Описание нового способа закалки стали в сгущенном воздухе», спустя 10 лет — другую замечательную работу «О приготовлении литой стали». Аносов предложил новый метод получения стали, объединив процессы науглероживания и плавления металла. Наряду с этим он практически доказал, что для науглероживания железа не обязательно соприкосновение металла и угля (как это считалось). Последний может быть с большим эффектом заменен печными газами. Так впервые в мире была применена газовая цементация металла, нашедшая в настоящее время широкое распространение. В 1837 Аносов осуществил переплавку чугуна в сталь как с добавкой, так и без добавки железа.
Первым в России Аносов разработал технологию изготовления огнеупорных тиглей – основного оборудования стале- и золотоплавильного производства того времени. Это позволило в 50 раз удешевить стоимость каждого тигля, ранее ввозимого из Германии.
Оригинальными были работы Аносова по раскрытию утерянного в средние века секрета приготовления булатной стали. Опыты в течение 10 лет по сплавлению железа с кремнием, марганцем, хромом, титаном, золотом, платиной и др., а также изучение свойств получаемых сплавов позволили Аносову первым раскрыть тайну булата. Аносов обосновал влияние химического состава, структуры сплава и характера его обработки на свойства металла. Эти выводы Аносова легли в основу науки о качественных сталях. Результаты работ Аносова обобщены в классическом труде «О булатах» (1841), который был сразу переведен на немецкий и французский языки.
Аносов первым доказал, что узоры на металле отражают его кристаллическое строение и установил влияние так называемой макроструктуры металла на его механические качества. Первым Аносов применил микроскоп для исследования внутреннего строения стальных сплавов (1831), положив начало микроскопическому анализу металлов. По инициативе Аносова в 40-х гг. 19 в. предприняты успешные попытки производства литых стальных орудий, завершенные впоследствии П.М. Обуховым.
Аносов был избран член-корреспондентом Казанского университета (1844), почетным членом Харьковского университета (1846). Имени Аносова учреждены премия и стипендия (1948).
Д.К. Чернов продолжил труды П.П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали. В 1868 Д.К. Чернов указал на существование температур, при которых сталь претерпевает превращения при нагревании и охлаждении (критические точки). Открытые Д.К. Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.
В 1866–68 в результате практического изучения причин брака при изготовлении орудийных поковок, а также глубокого анализа работ своих предшественников П.П.Аносова, П.М. Обухова, А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого по вопросам выплавки, разливки и ковки стальных слитков, Чернов установил зависимость структуры и свойств стали от ее горячей механической и термической обработки. Чернов открыл критические температуры, при которых в стали в результате ее нагревания или охлаждения в твердом состоянии происходят фазовые превращения, существенно изменяющие структуру и свойства металла. Эти критические температуры, определенные Черновым по цветам каления стали, были названы точками Чернова. Чернов графически изобразил влияние углерода на положение критических точек, создав первый набросок очертания важнейших линий диаграммы состояния «железо-углерод» (см. Тему 3). Результаты своего исследования, положившего начало современной металлографии, Чернов опубликовал в «Записках Русского технического общества» (1868, № 7), назвав его «Критический обзор статей г. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д.К. Чернова исследования по этому же предмету». В др. крупном научном труде «Исследования, относящиеся до структуры литых стальных болванок» (1879) Чернов изложил стройную теорию кристаллизации стального слитка. Он детально исследовал процесс зарождения и роста кристаллов (в частности, дендритных стальных кристаллов, которые иногда называются кристаллами Чернова), дал схему структурных зон слитка, развил теорию последовательной кристаллизации, всесторонне изучил дефекты литой стали и указал эффективные меры борьбы с ними. Этими исследованиями Чернов во многом способствовал превращению металлургии из ремесла в теоретически обоснованную научную дисциплину.
Большое значение для прогресса металлургии стали имели труды Чернова в области интенсификации металлургических процессов и совершенствования технологии производства. Он обосновал значение полноты раскисления стали при выплавке, целесообразность применения комплексных раскислителей, рекомендовал систему мероприятий, обеспечивающих получение плотного, беспузыристого металла. Чернов выдвинул идею перемешивания металла в процессе кристаллизации, предложив для этого вращающуюся изложницу.
Чернов многое сделал для совершенствования конвертерного способа производства литой стали. В 1872 он предложил подогревать в вагранке жидкий малокремнистый чугун, считавшийся непригодным для бессемерования, перед продувкой его в конвертере; в дальнейшем этот способ нашел распространение на русских и зарубежных заводах. Чернов применил спектроскоп для определения окончания бессемеровского процесса, одним из первых указал на целесообразность применения обогащенного кислородом воздуха для продувки жидкого чугуна в конвертере (1876). Чернов работал также над проблемой прямого получения стали из руды, минуя доменный процесс. Ему принадлежит ряд важных исследований в области артиллерийского производства: получение высококачественных стальных орудийных стволов, стальных бронебойных снарядов, изучение выгорания каналов орудий при стрельбе в результате действия пороховых газов и др. факторов. Чернов известен также рядом работ по математике, механике, авиации.
Чернов Д.К. — основоположник современного металловедения, основатель крупной научной школы русских металлургов и металловедов. Его научные открытия получили признание во всем мире. Чернов был избран почетным председателем Русского металлургического общества, почетным вице-председателем английского института железа и стали, почетным членом американского института горных инженеров и ряда др. русских и иностранных научных учреждений.
Классические труды «отца металлографии» Д.К. Чернова развивали выдающиеся русские ученые. Первое подробное описание структур железоуглеродистых сплавов было сделано А.А. Ржешотарским (1898). Дальнейшее развитие металловедение получило в работах видных советских ученых Н.И. Беляева, Н.С. Курнакова, А.А. Байкова, С.С. Штейнберга, А.А. Бочвара, Г.В. Курдюмова и др.
Современная наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов, их сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.
История развития Материаловедения как науки.
Развитие материаловедения - основа прогресса. Вокруг нас повсюду материалы. И их создание - заслуга ученых. История развитияобщества связана с историей освоения материалов, технологии их получения и обработки каменный бронзовый, железный века. Материаловедение, как прикладная наука, сформировалась на рубеже 18—19 веков. В 19 в. материаловедение достигло теоретического уровня естественных наук. Материаловедение 19 в. — это, в первую очередь, материаловедение металлов. Важнейшую роль в развитии этого направления сыграли русские инженеры П. П. Аносов и Д. К. Чернов. 20 век — век открытия и создания новых материалов, обладающих уникальными свойствами. *Создал новый метод получения стали, объединив науглероживание и плавление металла. *Открыл критические точки фазовых превращений стали. Установил влияние термической обработки стали на её структуру и свойства. Появляются новые направления прикладного материаловедения, изучающего закономерности, определяющее строение и свойства различных материалов (полупроводников и диэлектриков, конструкционных материалов и материалов, различных композитов и полимеров и т. д.). Успехи современного материаловедения способствуют разработке высокоэффективных методов улучшения характеристик различных материалов, повышение их эксплуатационных свойств.
2. Классификация материалов.Осн.определения(материаловедение, конструкционные материалы, конструкц.прочность)
Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы. Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики).
Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.
Материаловедение – это наука, изучающая свойства конструкционных материалов и закономерности их изменения в зависимости от химического состава, температуры, фазового состояния, характера приложения нагрузки и других факторов. Конструкционные материалы - материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами К. м. являются механические свойства. Разделяют на три группы: 1 – металлические; 2 – неметаллические; 3 – композиционные материалы. Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции (статистическая взаимосвязь двух или нескольких случайных величин) со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.
На конструкционную прочность влияют следующие факторы:
конструкционные особенности детали (форма и размеры);
механизмы различных видов разрушения детали;
состояние материала в поверхностном слое детали;
процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.
Виды металлических материалов.
По принципу изготовления различают следующие группы металлических материалов: металлы, металлические сплавы, многослойные металлические материалы, материалы с поверхностным покрытием и спеченные сплавы. Металлы – простые крист. Вещ.
Ме сплавы: сталь, чугун (Fe+Углерод от 2 – 6,67%)
Al сплавы – обладают низкой плотностью. Медные сплавы (латунь и бронза). Латунь – сплав меди с цинком. Бронза – сплав на основе меди с добавкой олова, железа, никеля, спинца. Магниевае сплавы. Титанове сплавы. Никелеевые сплавы.
Группы неметаллических материалов
В группу немет. Мат. объеденены материалы нестественного и искусственного происхождения, органические и неорганические. Они не содержат в своей основе металлов. Материалы растительного происхождения (древесина, лен, хлопок). Из них изготавливают доски, полотна, веревки, канаты и т.д.
Керамика: кирпич, камень, стекло и огнеупорные материалы. Изготавливают сосуды, тубы, огнеупорные изделия, элетроизоляторы. Минералы: алмаз, рубин, сапфир, гранит, мрамор, асбест, гипс. Цемент.
Полимерные материалы: резина, плстмасса.
Общие сведения о композиционных и ЦБ- материалов.
Композиционные материалы – материалы, образованные объемным сочетанием химически разнородных компонентов с четкой границей раздела фаз между ними. В строение композита выделяют наполнитель (дисперсную фазу) и связующее (матрицу). Композиты классифицируют по виду наполнителя и природе входящих в его состав компонентов. В зависимости от наполнителя можно выделить: 1) композиты с дисперсными частицами; 2) волокнистые композиты. По природе компонентов разделяют на 4 группы, содержащие следующие компоненты: металлы или сплавы; неорганические соединения (окиды, карбиды, нитриды); немет. Мат., органические соединения.
Целлюлозно-бумажные материалы
Волокнистые целл-бум мат. занимают далеко не последнее место среди конструкц. Мат. и выделяются в отдельную группу. Картонная тара – относительная дешевизна и возможность вторичной переработки.
Картон – листовой материал, состоящий из растительных волокон, обработанных сооств. Образом и соедин. В тонкий лист, в котром волокна связанны между собой поверхностными силами сцепления.
Классификация св-в материалов.
1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.
· Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);
· Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);
· Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);
· Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);
· Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.
· Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волы);
· Плотность (масса единицы объема вещества);
· Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);
· Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);
· Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);
· Магнитные (способность материала хорошо намагничиваться);
· Коэффициент объемного и линейного расширения.
Механические свойства материалов Виды деформаций
Механические свойства материалов, такие как прочность, сопротивление разрушению, твёрдость и др. являются во многих случаях определяющими для принятия решения о применении материала. Механические свойства материалов, совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воз действующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. Диаграмма деформации, Упругие свойства, Сопротивление пластической деформации, Характеристики пластичности, Характеристики разрушения, Временная зависимость прочности, Упругие свойства.
Наиболее простые виды деформациитела в целом:
Стекловолокниты.
Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя.
Карбоволокниты.
Карбоволокниты (углепласты) представляют собой композиции,состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в видеуглеродных волокон (карбоволокон).
Бороволокниты.
Бороволокниты представляют собой композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя – борных волокон.
Органоволокниты.
Органоволокниты представляют собой композиционные материалы,состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в видесинтетических волокон.
Низкотемпературный отпуск
Проводят при температурах до 250 °C. Закалённая сталь сохраняет высокую износостойкость, однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдержит высоких динамических нагрузок.
Среднетемпературный отпуск
Проводят при температурах 350-500 °C и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости
Высокотемпературный отпуск
Проводят при температурах 500—680 °C. При этом остается высокая прочность и пластичность, а также максимальная вязкость.
Термомеханическая обработка
Термомеханическая обработка стали заключается в сочетании механической обработки давлением (прокатки, штамповки) с термической обработкой (закалкой). Это позволяет повысить прочность стали как в результате наклепа, который получается при пластической деформации, так и вследствие закалки. Благодаря этому при термомеханической обработке удается достичь более высокого упрочнения, чем при обычной закалке.
1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО). Она заключается в том, что непосредственно после горячей обработки давлением (прокатки, штамповки), проводится резкое охлаждение— закалка.
2. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Сталь нагревают до аустенитного состояния, а затем охлаждают ниже температуры рекристаллизации, но выше температуры начала мартенситного превращения, т. е. в температурном интервале примерно 400—600°С.
3. Высокотемпературная поверхностная термомеханическая обработка (ВТМПО). Сущность такой обработки заключается в том, что деталь подвергается поверхностному нагреву ТВЧ и одновременно обкатывается роликами.
Поверхностное упрочнение
Конструкционная прочность часто зависит от состояния материала в поверхностных слоях детали. Одним из способов поверхностного упрочнения стальных деталей является поверхностная закалка.
В результате поверхностной закалки увеличивается твердость поверхностных слоев изделия с одновременным повышением сопротивления истиранию и предела выносливости.
Общим для всех видов поверхностной закалки является нагрев поверхностного слоя детали до температуры закалки с последующим быстрым охлаждением. Эти способы различаются методами нагрева деталей. Толщина закаленного слоя при поверхностной закалке определяется глубиной нагрева.
Наибольшее распространение имеют электротермическая закалка с нагревом изделий токами высокой частоты (ТВЧ) и газопламенная закалка с нагревом газово-кислородным или кислородно-керосиновым пламенем.
Динамические испытания
ДИНАМИЧЕСКОЕ ИСПЫТАНИЕ, измерение силы воздействия движущихся тел на среду, сопротивляющуюся их движению. При помощи динамических испытаний выясняют, например, воздействие автомобиля на мост, по которому он проезжает, либо силу удара шасси самолета о землю при посадке.
Ударная вязкость – это работа удара, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. Тзмерение ударной вязкости материалов является основным динамическим испытанием. Наиболее распространение получили методы Изота и Шарпи. Оба метода основаны на разрушении образца с надрезом одним ударом маятникого копра. Образец закрепляют в опорах и наносят удар: по стороне с зарубкой – метод Изода, по противоположному надрезу стороне – метод Шарпи.
При испытании по Изоду измеряют энергию, поглощенную консолью при переломе образца во время опыта.
При испытании по Шарпи измеряют энергию, поглощенную бруском при переломе образца в процессе опыта.
Ударную вязкость определяют как отношение работы разрушения, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного сечения образца в месте надреза.
Испытания ударной вязкости широко применяется для оценки склонности материала к хрупкому разрушению при низких температурах. Преимущество этого метода является простота эксперимената, учет влияния скорости нагружения и концентраций.
Испытания на долговечность.
Долговечность материалов определяют испытаниями на усталость, ползучесть, длительную прочность, износ, коррозию.
Испытание на ползучесть. Медленная пластическая деформация материала под действием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текучести при данной темпер. , называется ползучестью. Различают
ползучесть при низких и высоких температурах. Испытания проводятся под действием растяжения.
Трибологические испытания. При трибологических испыт. Основными понятиями являются износ и износостойкость. Износ – изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Износ-ть – способность материалов сопротивл. Изнашиванию в условиях внешнего трения. Износ деталей машин, элементов строительных конструкций зависит от условий трения и св-в материала изделия. Износ, сопровождается отрывом частиц материала и потерей массы.
Параметры переработки
Требования к обработке или переработке материала.
Спец. треб. к инструменту.
Ассортимент
Какие мат. есть в распоряжении?
В каком виде мат. поставляется?
Проблемы после выбора материала.
Какова стоимость необработанного материала?
Стоимость предпологаемых требований переработки?
Стоимость переработанного мат.
Основная цель при выборе требуемого материала состоит в определении материала, который обладает найлучшим балансом свойсв.
История развития Материаловедения как науки.
Этапы развития науки о металлах. Материалы нашего времени. Керамические материалы. Композиционные материалы. Синтетические полимерные материалы , страница 2
Скифские мастера владели в совершенстве технологией филигранного искусства. Характерной особенностью филигранных изделий Скифии является преобладание зерни в их декоративной отделке.
Кельтские мастера, населявшие территорию Европы, достигли наивысшего совершенства в обработке металла в 6-1 веках до н.э. Они научились оснащать железные инструменты ( топоры, лемехи, мечи, ножи) стальными лезвиями. Чтобы получить особенно хорошую сталь, они закапывали в землю железные полосы, откованные из криц. Эти полосы состояли из мягкого и упрочненного железа. Последующей обработкой изготавливали однородные твердые изделия. Кельты применяли закалку и отпуск, владели технологией насечки.
Впечатляющие шедевры были созданы в Древней Индии. В Дели стоит знаменитая колоннаЧадрагупты весом 6,5 т, высотой 7,5 м и диаметром 40 см. Она сооружена в 380 - ЗООг.г. до н.э. из отдельных криц, сваренных в кузнечном горне. До сих пор вызывает удивление факт отсутствия в ней ржавчины, хотя эта колонна длительное время находится в условиях влажного тропического климата.
Самым удивительным достижением индийских кузнецов было изготовление булатной стали (I век до н.э.). Булатная сталь - это углеродистая литая сталь , которая благодаря особому способу изготовления, отличается своеоб разной структурой и видом поверхности (“узором”), высокой твердостью и упругостью.
Производство оружия в древнем мире и позже было секретом отдельных мастеров. Этот секрет тщательно оберегался, мастера передавали его из поколения в поколение. По этой причине секрет производства булатной стали был в конце концов утрачен.
Тайну секрета булатной стали впервые раскрыл русский металлург П.П.Аносов в середине прошлого века. Он доказал, что качество стали неразрывно связано с рисунком, и что, чем крупнее и ярче узор, тем выше качество клинка. Крупным считался узор, когда он достигал размеров нотных знаков, а мелким - когда его, хотя и с трудом, но все-таки можно обнаружить невооруженным глазом.
Особенность булатной стали (в отличие от дамасской) состоит в том, что рисунок ее узора никогда не повторяется.
Основой производства булатной стали в Индии, по мнению Аносова, могло быть только непосредственное восстановление железной руды углеродом в процессе выплавки.
Аносов предложил четыре способа производства булатной стали:
- непосредственное восстановление железа из руды и соединение железа с углеродом;
- переплавка чугуна с окалиной;
- отливка стали в форму и продолжительный отжиг без доступа воздуха;
- сплавление железа непосредственно с графитом.
Во всех перечисленных выше случаях металл должен выплавляться в тиглях без доступа воздуха. В конечном итоге получали литые заготовки в виде лепешек (вутцы) диаметром примерно 13 см и по толщине около 1 см. Масса такой заготовки составляла чуть больше килограмма.
Одной из самых ответственных операций была ковка металла.
Вот как Аносов описывал особенности ковки булатной стали: “Сплавы нагревают при слабом дутье в горне до светло-красного каления, относят под
молот и кладут на наковальню широким основанием. Проковку начинают на тихом ходу молота, при этом поворачивают сплавок кругом в одну сторону.
При первоначальной проковке повторяют нагревы отЗ до 9 раз. Если сплавок не получил трещины, то его рассекают натри части зубилами. Чем медленнее проковывается булат и чем чище отсекается, тем он лучше. Разрубленные части идут опять в ковку под молот, где их сначала проковывают в правильные бруски, а затем в полосы; чем медленнее стынет металл под молотом, тем выше его достоинство. Если части полосы нагреть до бела, то при твердом булате он лишается ковкости и рассыпается, а при мягком - теряет узоры. При проковке булатов необходимо точное доведение до той степени жара, при которой узор не теряется. Потеря узора во время ковки - есть порча металла.” (П.П.Аносов. О булате. СПб, 1841).
Термообработка булата состояла из закалки с последующим отпуском. Закалку Аносов производил в сале.
Этапы развития науки о металлах. Материалы нашего времени. Керамические материалы. Композиционные материалы. Синтетические полимерные материалы
История развития цивилизации непрерывно связана с освоением различных металлов.
С металлом первобытный человек познакомился несколько тысячелетий тому назад. Имеются сведения, что примерно за 92 века до н.э. племена, населявшие территорию Анатолии (часть современной Турции), использовали самородную медь. Золотые изделия появились примерно за 60 веков до н.э., а изделия из железа (первоначально из метеоритного) - примерно за 40 веков до н.э.
Первым металлом, который освоил первобытный человек, была медь. Прежде всего научились выплавлять медь. Это произошло приблизительно за 30- 50 веков до н.э. в северо- западной части Персидского залива. Величайшим достижением древней металлургии было получение сплавов на медной основе. При раскЪпках в Фивах были найдены рукописи, в которых сообщался секрет изготовления золота из меди - в нее добавлялось определенное количество цинка. Понятно, что речь шла об изготовлении латуни, напоминающей золото цветом В бронзовый век применяли широко и введение олова в медь, резко увеличивающего ее прочность и твердость.
Известно, что к 2000 г. до н. э. изделия из меди и ее сплавов широко использовались уже в Средней Бвропе, а к 1800 г. до н.э. в Англии было освоено получение бронзы.
Первым железом, которое попало в человеческие руки, было метеоритное. Это железо было большой редкостью и стоило очень дорого. Например, в хеттов, живших в первом и втором тысячелетии до н.э. на территории Малой Азии, железо стоило в 5 раз дороже золота ив 15-20 раз дороже меди. Метеоритное железо, содержащее никель, кобальт и некоторые другие элементы, хорошо ковалось в холодном состоянии.
Самое древнее железное изделие было найдено в Египте. Это было ожерелье из прокованных полосок метеоритного железа. Изготовлено оно приблизительно в 4-м тысячелетии до н.э.
Одним из наиболее древних железных изделий является кинжал с позолоченной ручкой. Он принадлежал царю шумерского города-государства Ур Мешколамшару. Кинжал изготовлен из метеоритного железа приблизительно в 3100 г. до н.э.
Есть основания предполагать , что железо начали выплавлять приблизительно в 2800 г. до н.э. В частности, секретами выплавки железа владел египетский фараон Тутанхамон.
С изобретением сыродутого горна стало возможным получение железа из руд Основным материалом, необходимым для процесса восстановления железа, был древесный уголь. Процесс получения кричного железа осуществлялся в кричном горне, который представлял из себя яму, над которой возвышалась куполообразная шахта с воздушными каналами для дутья. После загрузки в рабочее пространство горна послойно древесного угля и измельченной руды, через него продувался воздух, поступающий из кузнечного меха. Через 4 -8 часов из горна извлекалась слипшаяся губчатая масса, содержащая железные зерна вместе со шлаковыми включениями - крица. После этого крицу долго обрабатывали молотками, чтобы уплотнить и отбить шлаковые включения. Затем крица (как правило массой до 150 кг) делилась на части , из которых кузнецы получали требуемое изделие.
После того, как для дутья стали применять мехи с приводом от водяного колеса, температура металла поднялась настолько, что появилась возможность получения чугуна. Из этого чугуна в окислительной атмосфере затем получали сталь. Кроме того, чугун стал применяться для литья. В Китае литейный чугун был известен на несколько столетий раньше, чем на Ближнем Востоке и в Европе.
Сыродутный процесс прямого восстановления железа из руды просуществовал в Европе до 1850 года, а в Америке - до 1890 года.
Начиная с VIII века до н.э. наступил расцвет железного века, когда железо стало важнейшим и наиболее распространенным металлом, применяемым в хозяйственной и военной деятельности человека.
В этот же период достигла высокого совершенства металлообработка. Так скифские мастера в совершенстве владели техникой ковки, они же применяли для изготовления золотых и серебряных украшений и различной утвари штамповку, чеканку, литье. Кузнецы широко применяли сварку.
Скифские кузнецы ковали клинки по технологии, которая в последствии была названадамасской , когда на поверхности лезвия создавался узор из темных и светлых полос.
Читайте также: