Структура металла обеспечивающая получение высоких механических свойств
Обновлено: 05.10.2024
Метериаловедение - это прикладная наука, изучающая связи между строением (или структурой), составом и свойствами материалов. Кратко в математической форме это можно выразить следующим образом:
Свойства = f (химический состав, структура)
Структура материала весьма чутко реагирует на внешние механические, термические и физические воздействия. Поэтому закономерности влияния этих факторов на структуру и, в конечном счете, свойства материалов также является предметом изучения материаловедения.
Курс «Материаловедение» состоит из двух разделов: первый- теоретические основы материаловедения. В этом разделе изучаются свойства материалов, а также влияние на эти свойства эксплуатационных факторов; атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов; диаграммы состояния; формирование структуры и свойств при кристаллизации и пластической деформации; диаграмма железоуглеродистых сплавов; теория термической обработки.
Во втором разделе изучаются структура и свойства конкретных классов материалов (практическое материаловедение).
Все материалы, применяемые в машиностроении, исходя из их природы, можно разделить на следующие основные группы:
1. Металлические материалы, к которым относятся:
сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны;
стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
композиционные материалы с металлической матрицей;
2. Неметаллические материалы:
полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
композиционные материалы с неметаллической матрицей (стекло-пластики, углепластики, оргпластики и др.);
неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);
Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации.
В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:
материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
материалы с особыми технологическими свойствами;
материалы с высокими упругими свойствами;
материалы с малой плотностью;
материалы с высокой удельной прочностью;
материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды.
Свойства металлов и сплавов
При выборе материала исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физические, химические и технологические.
Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. К физическим относятся такие свойства материалов как плотность, теплоемкость, температура плавления, термическое расширение, магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность.
Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия.
Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность подвергаться горячей и холодной обработке. Комплекс этих свойств включает в себя технологичность при выплавке, горячем и холодном деформировании, обработке резанием, термической обработке и, особенно, сварке.
При конструировании изделий в первую очередь руководствуются механическими свойствами материалов.
Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под действием различного рода нагрузок. Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими. Кроме того, материалы могут подвергаться деформации и разрушению как при разных температурных условиях, так и в различных, в том числе агрессивных средах. Для того, чтобы обеспечить надежную работу конкретных машин и приборов, необходимо учитывать условия эксплуатации, т.е. к материалу предъявляют эксплуатационные требования.
К основным механическим свойствам относят прочность, упругость, ударную вязкость, пластичность, твердость.
Для определения механических свойств материалов разработаны различные методы испытаний. При статических методах материал подвергают воздействию постоянной силы, возрастающей весьма медленно. При динамических испытаниях материал подвергают воздействию удара или силы быстро возрастающей.
Определение прочности, пластичности, упругости
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. к получению остаточного изменения формы и размеров без разрушения.
Упругость – свойство материала восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Прочность, пластичность и упругость материала определяют при статических испытаниях на растяжение.
Рис. 3.1. Статические испытания на растяжение:
а – схема испытания; б – диаграмма растяжения
Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l0 и диаметром d0. Образец растягивается под действием приложенной силы P (рис. 1.1.) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ – это отношение силы P к площади поперечного сечения F, МПа:
,
Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %
100,где l – длина растянутого образца. Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).
При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации (рис.3.1.).
После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств:
Предел упругости σу – это максимальное напряжение, при котором в образце не возникают пластические деформации.
Предел текучести – напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2%.
Предел прочности (или временное сопротивление)Относительное удлинение после разрыва l0, %:
· 100,
где lk – длина образца после разрыва.
Относительным сужением после разрыва· 100,
где Fk – площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение являются характеристиками пластичности.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
Твердость материала испытывается при статическом характере вдавливания в него шарика, конуса или пирамиды.
Наиболее широкое применение нашли методы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 3.2.).
Твердость по Бринеллю (НВ) определяется вдавливанием в испытываемую поверхность под нагрузкой Р стального шарика диаметром Д (рис.3.2, а).
После снятия нагрузки на поверхности образца остается отпечаток (лунка).
Твердость определяется по формуле
НВ =где F – площадь поверхности отпечатка.
Рис. 3.2. Схемы определения твердости:
а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Практически величину твердости определяют не по формуле, а по прилагаемой к прибору таблице в зависимости от диаметра отпечатка.
Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности металла существует приближенная зависимость
Для сталиТвердость по Роквеллу определяют по глубине отпечатка. Метод основан по вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120 0 (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок – предварительной Р0, равной 100 Н и окончательной Р, равной 600, 1000, 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания в условных единицах.
Твердость по Виккерсу определяют вдавливанием в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136 0 . Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.
Практически величину твердости определяют не по формуле, а по прилагаемым к прибору таблицам по измеренной величине d (диагональность отпечатка) рис. 3.2, в.
Определение ударной вязкости
Для оценки вязкости материалов и установления их склонности к переходу из вязкого в хрупкое состояние проводят испытания при динамических нагрузках.
Метод основан на разрушении образца с надрезом (рис. 3.3., а) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 3.3, б).
Рис. 3.3. Схема испытания образца на маятниковом копре
КС = А/F, Дж/м 2 , где А работа, затраченная на разрушение образца; F площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м; КС ударная вязкость, индексы V,U (KC V, КС U) характеризуют форму надреза.
Кристаллическая структура металлов. Общая характеристика и классификация металлов
В технике под металлами понимают материалы, обладающие целым комплексом специфических физических, химических, технологических, эксплуатационных и механических свойств.
Физические свойства отражают поведение материалов в различных тепловых, электромагнитных и гравитационных полях. К наиболее характерным физическим свойствам металлов следует отнести металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, способность испускать электроны при нагреве, а также сравнительно высокую плотность большинства металлов.
Химические свойства отражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами. С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы, расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химические взаимодействия с неметаллами, атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.
Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость и ковкость), а также хорошую свариваемость и возможность получать изделия методом литья.
Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материалов в реальных условиях эксплуатации. Среди эксплуатационных свойств металлов можно выделить их неплохую износостойкость.
Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также твёрдость и прочность.
Физические и химические свойства металлов наиболее подробно изучаются в рамках дисциплин «Физика» и «Химия». Материаловедение большее внимание уделяет механическим и технологическим свойствам материалов.
Все металлы делят на две большие группы: на чёрные металлы и цветные металлы.
Чёрные металлы отличаются специфическим темно-серым цветом, высокой температурой плавления и относительно высокой твёрдостью. Цветные металлы имеют характерную белую, желтую или красную окраску, и отличаются от чёрных металлов большей пластичностью, меньшей твёрдостью и невысокой температурой плавления.
Чёрные металлы, в свою очередь, подразделяют на 5 групп:
1. Металлы группы железа – Fe, Cо, Ni и Mn.
Fe составляет основу самых распространённых в промышленности сплавов – сталей и чугунов. Остальные металлы этой группы применяются либо в качестве добавок к железоуглеродистым сплавам, либо в качестве основы для соответствующих сплавов (кобальтовых, никелевых и т.п.).
2. Тугоплавкие металлы – Ti, V, Cr, Mo, W и др.
Металлы этой группы имеют температуру плавления выше, чем у железа, т.е. более 1539°С. Их обычно используют в качестве добавок к легированным сталям, либо в качестве основы для специальных сплавов (например, титановых или хромовых). Вольфрам в чистом виде используют для изготовления нитей накала электроламп.
3. Урановые металлы или актиноиды – Ac, Th и т.д. Применяются, как правило, для изготовления сплавов, используемых в атомной энергетике.
4. Редкоземельные металлы или лантаноиды – La, Ce и т.д. Эти металлы обычно встречаются в смешанном виде и имеют близкие свойства. Их используют для изготовления специальных сплавов, обладающих особыми физическими и иными свойствами.
5. Щелочные металлы – Li, Na, K и т.д. Отличаются высокой химической активностью и поэтому в свободном виде не используются.
Цветные металлы подразделяют на 3 группы:
1. Легкие металлы – Al, Mg, Be. Обладают сравнительно низкой плотностью. Al из-за своей высокой электропроводности широко применяется для изготовления электропроводов. Кроме того, Al используют для получения алюминиевых сплавов, широко применяемых в машиностроении.
2. Благородные металлы – Ag, Au, Pt и т.д. в том числе Cu. Данные металлы отличаются высокой пластичностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам они широко применяются в микроэлектронике и ювелирном деле. Медь используют также для получения бронз и латуней. Слитки благородных металлов, размещённые в банках, играют роль фактических денег.
3. Легкоплавкие металлы – Sn, Pb, Zn, Hg и т.д. Имеют сравнительно низкую температуру плавления. Температура плавления ртути (Hg) ниже комнатной и поэтому данный металл в обычных условиях является жидким. Sn и Pb используют для изготовления припоев, те сплавов, служащих для соединения деталей методом пайки.
Наиболее распространенным металлом на земном шаре является алюминий (8,8%). На втором месте находится железо (4,65%), которое к тому же является одним из наиболее дешёвых металлов.
2.2 Металлическая межатомная связь и модель «электронного газа»
Вышеназванные характерные свойства металлов, в большинстве своём, могут быть объяснены спецификой межатомного взаимодействия и особенностями структуры металлов. Атомы металлов, находящихся в твёрдом стоянии, связаны между собой особым типом химической связи, которую называют металлической связью. Такая связь устанавливается посредством обобществления всех валентных электронов атомами материала. Валентные электроны, потерявшие связь со своими атомами, оказываются принадлежащими всему металлу в целом и, будучи относительно свободными, образуют в объёме металла так называемый «электронный газ» или точнее «электронную жидкость». Сами же атомы при этом становятся положительно заряженными ионами. Таким образом, на атомарном уровне металлы выглядят как совокупность расположенных в узлах кристаллической решётки положительно заряженных ионов, которые омываются газом относительно свободных электронов или иначе «электронной жидкостью» (рис. 7).
Рис. 7. Модель «электронного газа (жидкости)»
Наличием в объёме металла электронного газа или жидкости объясняются многие свойства металлов. Так, если к металлу приложить разность потенциалов, то под воздействием электрического поля относительно свободные электроны наряду с хаотическим движением приобретут направленное движение в сторону от минуса к плюсу. Другими словами в металле возникнет электрический ток. Поскольку в металлах свободных носителей заряда, т.е. электронов, достаточно много, их электропроводность оказывается очень высокой. Эти же электроны проводимости весьма эффективно могут переносить тепловую энергию от разогретого участка металла к более холодным областям, и этим объясняется высокая теплопроводность металлов. Кроме того, электронная жидкость хорошо отражает фотоны, т.е. частицы света, и тем самым обеспечивает металлам характерный блеск.
При пластическом деформировании металлов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и металлическая связь способствует этому процессу. В данном случае электронная жидкость играет роль своеобразного клея, соединяющего атомные слои, и одновременно роль своеобразной смазки, облегчающей процесс скольжения этих слоёв. В результате металлы оказываются достаточно пластичными материалами.
Металлическая связь, в отличие от ковалентной связи, не является строго направленной в пространстве и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к более выгодной и устойчивой конфигурации, обладающей меньшей свободной энергией, располагаются в пространстве наиболее компактным образом. Этим, в частности, объясняется относительно высокая плотность большинства металлов. Плотным атомным упаковкам металлов соответствуют следующие типы кристаллических структур:
1. Объёмоцентрированная кубическая структура или ОЦК-структура. Такую структуру описывает ОЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:
Рис. 8. Элементарная ячейка ОЦК-структуры.
В узлах этой кристаллической решётки располагаются атомы, а точнее ионы, соответствующего металла. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем равном расстоянии от любого атома находится 8 аналогичных атомов). Коэффициент компактности равен 0,68. Это означает, что 68% объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты. Это достаточно плотное расположение атомов. Базис образуют два атома соответствующего металла (один атом, расположенный в центре ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки). ОЦК-структура наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W, V и др.
2. Гранецентрированная кубическая структура или ГЦК-структура. Эту структуру описывает ГЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:
Рис. 9. Элементарная ячейка ГЦК-структуры.
В узлах решётки также располагаются атомы соответствующих металлов. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, расположенный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают вершины ячейки). ГЦК-структура характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt.
3. Гексагональная плотноупакованная структура или ГПУ-структура. Эту структуру описывает соответствующая ГПУ-решётка. Хотя ГПУ-решётку можно построить и с помощью меньшей по объёму ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше подойдёт шестигранная призма, которая нагляднее отражает гексагональную симметрию структуры (рис. 10).
Рис. 10. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.
Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение 0,74. Это наивысшая степень упаковки атомов. Базис образуют 6 атомов соответствующего металла (3 атома внутри призмы полностью ей принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек). ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др.
Иногда у металлов наблюдается тетрагональная или простая гексагональная структура, но гораздо реже, чем три вышеназванные структуры.
Механические свойства металлов
Поведение металла под нагрузкой определяется его механическими свойствами (прочностью, пластичностью, твердостью, упругостью, жесткостью, вязкостью). Методы испытаний механических свойств в зависимости от характера действия нагрузки делят на три группы: статические, когда нагрузка возрастает медленно (плавно); динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью (мгновенно) – удар; циклические – при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка многократно изменяется по величине и знаку (испытания на усталость).
Механические свойства металлов при статическом нагружении.В результате испытаний определяют следующие характеристики металлов: прочность, пластичность, твердость, упругость, жесткость.
Прочность – свойство металла сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних сил. В зависимости от способа статического нагружения различают прочность при растяжении, сжатии и изгибе.
Испытания на растяжение. Для испытаний применяют специальные цилиндрические или плоские образцы. Расчетная длина образца равна десяти- или пятикратному диаметру. Образец закрепляют в испытательной машине и нагружают. Результаты испытаний отражают на диаграмме растяжения.
На диаграмме растяжения пластичных металлов (рис. 13, а) можно выделить три участка: ОА – прямолинейный, соответствующий упругой деформации; АВ – криволинейный, соответствующий упругопластической деформации при возрастании нагрузки; ВС – соответствующий упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит разрушение образца с разделением его на две части.
От начала деформации (точка О) до точки А образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Участок ОА – прямая линия. Максимальное напряжение, не превышающее предела пропорциональности, практически вызывает только упругую деформацию, поэтому его часто называют пределом упругости металла.
 |
Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичных металлов:
а – с площадкой текучести; б – без площадки текучести
При испытании пластичных металлов на кривой растяжения образуется площадка текучести АА¢. В этом случае напряжение, отвечающее этой площадке, sт называют физическим пределом текучести. Физический предел текучести – это наименьшее напряжение, при котором металл деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2 % от первоначальной длины образца, называют условным пределом текучести (σ0,2).
Участок А¢В (см. рис 13, а) соответствует дальнейшему повышению нагрузки и более значительной пластической деформации во всем объеме металла образца. Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке (точка В), предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением, или пределом прочности при растяжении σв. Это характеристика статической прочности:
где Рmax – наибольшая нагрузка (напряжение), предшествующая разрушению образца, МПа;
F0 – начальная площадь поперечного сечения образца, м 2 .
У пластичных металлов, начиная с напряжения σв, деформация сосредоточивается (локализуется) в одном участке образца, где появляется сужение, так называемая шейка. В результате развития множественного скольжения в шейке образуется множество вакансий и дислокаций, возникают зародышевые несплошности. Сливаясь, они образуют трещину, которая распространяется в поперечном направлении растяжению, и образец разрушается (точка С). Кривая растяжения образца без площадки текучести показана на рис. 13, б.
Пластичность – свойство металла пластически деформироваться, не разрушаясь под действием внешних сил. Это одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Для определения пластичности не требуется образцов и оборудования. После испытания металла на растяжение эти же образцы измеряют и определяют характеристики пластичности. Показатели пластичности – относительное удлинение δ и относительное сужение ψ.
Относительным удлинением δ называется отношение абсолютного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l – l0), к его первоначальной расчетной длине l0, выраженное в процентах:
где l0 – первоначальная длина образца, мм;
l – длина образца после разрыва, мм.
Относительным сужением y называется отношение абсолютного сужения, т. е. уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва (Fо – F), к первоначальной площади его поперечного сечения, выраженное в процентах:
где F0 – первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ;
F – площадь поперечного сечения образца после разрыва, мм 2 .
Твердость – свойство металла сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Для определения твердости часто не требуется изготовления специальных образцов, испытания проводятся без разрушения металла.
Твердость металла можно определять прямыми и косвенными методами: вдавливанием, царапаньем, упругой отдачей, магнитным методом. Прямые методы состоят в том, что в металл вдавливают твердый наконечник (индентор) различной формы из закаленной стали, алмаза или твердого сплава (шарик, конус, пирамида). После снятия нагрузки на индентор в металле остается отпечаток, размер которого характеризует твердость.
Существует множество методов определения твердости металлов. Но лишь некоторые из них нашли широкое применение в машиностроении. Все они названы в честь своих создателей.
Метод Бринелля. В плоскую поверхность металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм (рис. 14, а). После снятия нагрузки в металле остается отпечаток (лунка). Диаметр отпечатка d измеряют специальным микроскопом с точностью 0,05 мм. На практике пользуются специальной таблицей, в которой каждому диаметру отпечатка соответствует определенное число твердости НВ.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более НВ450, так как шарик может деформироваться и получится искаженный результат. Этот метод в основном используется для измерения твердости неупрочненного металла заготовок и полуфабрикатов.
Метод Роквелла. Твердость определяют по глубине отпечатка. Наконечником служит стальной закаленный шарик диаметром 1,58 мм для мягких металлов или алмазный конус с углом при вершине 120° – для твердых и сверхтвердых (более HRC70) металлов (рис. 14, б).
Шарик и конус вдавливаются в металл нагрузкой 60, 100 или 150 кг. Отсчет результатов измерений определяется по показанию стрелки на шкале индикатора твердомера (рис. 15, а). После включения нагрузки стрелка перемещается по шкале индикатора твердомера (рис. 15, б) и указывает значение твердости (рис. 15, в).
Рис. 15. Показания индикатора прибора ТК
При вдавливании стального шарика нагрузка – 100 кг (отсчет по внутренней (красной) шкале индикатора), твердость обозначают как НRВ. При вдавливании алмазного конуса отсчет твердости осуществляется по показанию стрелки на наружной (черной) шкале индикатора (см. рис. 15, в). Нагрузка 150 кг – для твердых металлов. Это основной метод измерения твердости закаленных сталей. Обозначение твердости – НRC. Для очень твердых металлов, а также мелких деталей нагрузка – 60 кг, обозначение твердости – НRА.
Определение твердости по Роквеллу дает возможность испытывать мягкие и твердые металлы, а отпечатки от шарика или конуса очень малы, поэтому можно измерять твердость готовых деталей. Измерения не требуют никаких вычислений – число твердости читается на шкале индикатора твердомера. Поверхность для испытания должна быть шлифованной.
Метод Виккерса. В испытуемую поверхность (шлифованную или полированную) вдавливается четырехгранная алмазная пирамида под нагрузкой 5, 10, 20, 30, 50, 100 кг. В металле остается квадратный отпечаток. Специальным микроскопом твердомера измеряют величину диагонали отпечатка (рис. 16). Зная нагрузку на пирамиду и величину диагонали отпечатка, по таблицам определяют твердость металла, обозначаемую как HV.
Этот метод универсальный. Его можно использовать для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев большой твердости (после азотирования, нитроцементации и т. п.). Чем тоньше металл, тем меньше должна быть нагрузка на пирамиду, но чем больше нагрузка, тем точнее получаемый результат.
Прочность при динамическом нагружении(испытания на ударную вязкость – на удар).В процессе эксплуатации многие детали машин испытывают динамические (ударные) нагрузки. Для определения стойкости металла к удару и одновременной оценки его склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударный изгиб. В результате определяют ударную вязкость – характеристику динамической прочности.
Для определения ударной вязкости применяют 20 типов образцов (обычно размером 10 ´ 10 ´ 55 мм) с U- или V-образным надрезом. Надрез посередине образца называется концентратором. Испытания проводят на маятниковом копре 1 (рис. 17, а). Маятник 2, падая с определенной высоты, разрушает образец 3, свободно установленный на двух опорах копра (рис. 17, б). Работа удара К (Дж или кгс×м), затраченная на излом (разрушение) образца, фиксируется стрелкой на шкале копра и определяется из разности энергии маятника в положении его до и после удара. Ее можно определить по формуле:
К = G (h1 – h2), (6)
где G – вес маятника, Н;
h1 – высота подъема маятника до разрушения образца, м;
h2 – высота подъема маятника после разрушения, м.
Ударная вязкость обозначается КС (прежнее обозначение – aн) и подсчитывается как отношение работы, затраченной на разрушение образца К, к площади поперечного сечения образца в месте надреза F, МДж/м 2 :
КС (aн) = К / F. (7)
Если образец имеет U-образный надрез, то в обозначение ударной вязкости добавляется буква U (КСU), а если V-образный, то добавляется буква V (КСV). Например, KCU = 1 кгс×м/см 2 = 98 кДж/м 2 .
 |
Определение ударной вязкости является наиболее простым и показательным способом оценки способности металлов, имеющих объемно центрированную кубическую решетку, к хрупкости при работе в условиях низких температур, называемой хладноломкостью.
Практически хладноломкость определяют при испытании на удар серии образцов при нескольких понижающихся значениях температуры (от комнатной до минус 100°С). Результаты испытаний наносят на график в координатах «ударная вязкость – температура испытания». Температура, при которой происходит падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости, или порогом хладноломкости. Порог хладноломкости – отрицательная температура, при которой металл переходит из вязкого состояния в хрупкое.
Прочность при циклическом нагружении(испытания на усталость). Многие детали (валы, рессоры, рельсы, шестерни) в процессе работы подвергаются повторно-переменным нагрузкам. Разрушение таких деталей при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения при напряжении, значительно меньшем, чем временное сопротивление металла. Процесс постепенного накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению, называется уста-лостью. Свойство металла выдерживать большое число циклов переменных напряжений, т. е. противостоять усталости, называется выносливостью, или циклической (усталостной) прочностью.
Усталостная прочность – способность металла сопротивляться упругим и пластическим деформациям при переменных нагрузках. Она характеризуется наибольшим напряжением s-1, которое выдерживает металл при бесконечно большом числе циклов нагружения не разрушаясь и называется пределом усталости, или пределом выносливости. Для углеродистой конструкционной стали предел усталости принимается равным (0,4 – 0,5) sв.
Значение предела выносливости зависит от целого ряда факторов: степени загрязненности металла неметаллическими включениями, макро- и микроструктуры металла, состояния поверхности, формы и размеров детали и др.
Разрушение металлов при усталости отличается от разрушения при однократных нагрузках особым видом излома. При знакопеременной нагрузке происходит постепенное накопление напряжения, обусловленное движением дислокаций. Поверхность детали, как наиболее нагруженная часть сечения, претерпевает микродеформацию, и в наклепанной (упрочненной деформацией) зоне возникают микротрещины. Из множества микротрещин развитие получает только та, которая имеет наиболее острую вершину и наиболее благоприятно расположена по отношению к действующему напряжению.
Пораженная трещиной часть сечения детали не несет нагрузки, и она перераспределяется на оставшуюся часть, которая непрерывно уменьшается, пока не произойдет мгновенное разрушение. Таким образом, для усталостного излома характерно, как минимум, наличие зоны прогрессивно растущей трещины 1 и зоны долома 2 (рис. 18).
Важной характеристикой конструктивной прочности (надежности) металла является живучесть при циклическом нагружении.
Живучесть – это способность металла работать в поврежденном состоянии после образования трещины. Она измеряется числом циклов нагружения до разрушения или скоростью развития трещины усталости при данном напряжении. Живучесть является самостоятельным свойством, которое не зависит от других свойств металла. Живучесть имеет важное значение для оценки работоспособности деталей, работа которых контролируется различными методами дефектоскопии. Чем меньше скорость развития трещины усталости, тем легче ее обнаружить.
Для повышения усталостной прочности деталей желательно в поверхностных слоях металла создавать напряжение сжатия методами поверхностного упрочнения (механическими, термическими или химико-термическими).
3. металлические сплавы
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают требуемого комплекса механических и технологических свойств, поэтому для изготовления деталей машин наибольшее распространение получили металлические сплавы – вещества, обладающие металлическими свойствами, представляющие собой сочетание какого-либо металла (основа сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь – сплав меди (металл) с цинком (металл), сталь – сплав железа (металл) с углеродом (неметалл). Большинство сплавов получают путем сплавления, т. е. соединения компонентов сплава в жидком состоянии. Есть и другие способы образования сплавов. Так, металлокерамические сплавы образуются путем спекания из порошков.
Курс. «материаловедение». Доцент, к.Т.Н., Кондратенко в.С.
Тема 1. Атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
Металлы имеют строение:
Металлы состоят из атомов, которые располагаются:
- имеют дальнее расположение;
+ в виде атомно-кристаллических решеток.
Размер кристаллических решеток металлов оценивается:
+ периодами решетки, характеризующими величину ее ребер;
- размерами атомов решетки.
4. Технические металлы и сплавы являются поликристаллическими телами, различно ориентированными друг к другу своими кристаллографическими плоскостями и направлениями, поэтому их свойства в разных направлениях:
5. Многие металлы при различных температурах имеют различное кристаллическое строение (разные кристаллические решетки). Это явление металлов называется:
6. Некоторые металлы обладают явлением полиморфизма при изменении температуры. Поэтому свойства сталей можно изменять посредством термической обработки (отжиг, закалка), благодаря полиморфизму (Какого из хим. элементов?)
7. Температуру кристаллизации металлов определяют:
- построением кривой нагрева;
+ построением кривой охлаждения при малой скорости охлаждения;
- построением кривых нагрева и охлаждения.
8. Температура кристаллизации чистых металлов на кривой охлаждения определяется:
+ температурным уровнем площадки на кривой охлаждения;
- перегибом на кривой охлаждения;
- наклоном на кривой охлаждения;
- замедлением скорости охлаждения.
9. Для получения высоких механических свойств оптимальной является структура материала:
- величина зерна не имеет значения.
10. Одним из видов дефектов атомно-кристаллического строения реальных поликристаллических материалов являются:
11. К механическим свойствам металлов и сплавов из перечисленных относятся:
12. К физическим свойствам металлов и сплавов из перечисленных относятся:
13. К технологическим свойствам металлов и сплавов из перечисленных относятся:
14. К эксплуатационным свойствам металлов и сплавов из перечисленных относятся:
15. Характер приложения нагрузки при эксплуатации деталей и предварительном определении механических свойств соответствующего материала может быть:
+ статическим, (динамическим, циклическим);
- средним, высоким, низким;
16. Статическими способами нагружения при испытаниях механических свойств определяются из перечисленных:
+ предел прочности, предел текучести;
17. При динамическом характере приложения нагрузки к материалу определяется его:
18. Склонность материала к хрупкому разрушению определяется при динамическом приложении нагрузки на образцах:
- без концентратора напряжений;
–с концентратором напряжений.
19. При циклическом (переменном) приложении нагрузки к материалу определяется его:
+ предел выносливости (сопротивление усталости);
20. Обратимое смещение атомов металлов из положений равновесия в кристаллической решетке происходит при упругой деформации.
21. Металлы не восстанавливают своей прежней формы, структуры и свойств после снятия нагрузки при пластической деформации.
22. Причинами низкой прочности и высокой пластичности реальных металлов в отличие от идеальных является наличие в атомно-кристаллической структуре:
+(?) дислокаций и др. дефектов атомно-кристаллического строения.
23. Упрочнение металлов при пластической деформации (наклепе) объясняется:
+ повышением плотности дислокаций и снижением их подвижности;
- уменьшением плотности дислокаций;
- увеличением их подвижности;
- снижением взаимодействия дислокаций;
24. С увеличением степени деформации (наклепа) у металлов увеличиваются свойства:
25. С увеличением степени деформации (наклепа) у металлов уменьшаются свойства:
26. При нагреве наклепанного металла выше температуры рекристаллизации в нем начинаются процессы:
- изменения кристаллической решетки;
27. Для определения твердости закаленной стали следует использовать прибор:
+(?) Роквелл со шкалой В шариком и нагрузкой 100 кг.;
- Бринелль с шариком 10 мм и нагрузкой 3000 кг.;
+(?) Роквелл со шкалой С и нагрузкой 150 кг.;
- Бринелль с шариком 5 мм и нагрузкой 750 кг.
28. Для определения твердости мягкой отожженной стали следует использовать прибор:
- Роквелл со шкалой С и нагрузкой 150 кг.;
+ Бринелль с шариком 10 мм и нагрузкой 3000кг.;
- Роквелл со шкалой А и нагрузкой 60кг.
29. Для определения твердости тонкого закаленного слоя сталей используется прибор с алмазной пирамидой:
Читайте также: