1.1 Основные свойства конструкционных материалов

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).

Коррозионная стойкость

        металлов, способность металла или сплава сопротивляться коррозионному воздействию среды. К. с.определяется скоростью коррозии в данных условиях. Скорость коррозии характеризуется качественными иколичественными показателями. К первым относятся: изменение внешнего вида поверхности металла,изменение его микроструктуры и др. Количественными показателями служат: время до появления первогокоррозионного очага или число коррозионных очагов за определённый промежуток времени; уменьшениетолщины металла, отнесённое к единице времени; изменение массы металла, отнесённое к единицеповерхности и единице времени; объём газа, выделившегося (водород) или поглощённого (кислород) впроцессе коррозии металла, отнесённый к единице поверхности и единице времени; плотность тока,соответствующая скорости данного коррозионного процесса; изменение (в процентах) какого-либопоказателя механических свойств, электрического сопротивления, отражательной способности металла заопределённое время коррозионного процесса. Для оценки К. с. металлов в различных условиях существуетряд шкал, из которых наиболее распространённой и рекомендуемой является десятибалльная

Электропроводность – это способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток;

Магнитные свойства - способность материала хорошо намагничиваться;

Электротехнические материалы можно разбить на четыре группы: проводниковые, полупроводниковые, магнитные и диэлектрики. Проводниковые материалы отличаются большой удельной электрической проводимостью и используются в электрических устройствах в качестве проводников электрического тока: всевозможные обмотки в машинах, аппаратах и приборах, контактные узлы, провода и кабели для передачи и распределения электрической энергии, в том числе и в линиях связи. Полупроводники занимают по удельной проводимости промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Особенности свойств полупроводников позволяют широко использовать их в различных отраслях электротехники: в техники связи в широком диапазоне частот, в различных устройствах радиоэлектроники и в технике сильного тока. Их применяют в выпрямителях, в усилителях, в фотодатчиках, в качестве специальных источников тока и т.п. Магнитные материалы отличаются способностью усиливать магнитное поле, в которое их помещают, т.е. обладают большой магнитной проницаемостью. Они используются для изготовления магнитопроводов в электрических машинах и трансформаторах, для экранирования магнитного поля, а также в виде постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле. Диэлектрические материалы отличаются очень малой удельной электрической проводимостью. Количественно разница между проводимостью диэлектриков и проводников столь велика, что она обусловливает и качественную разницу между ними; в диэлектриках преобладают не электродинамические явления, характеризующиеся направленным движением огромного числа свободных зарядов (электронов и ионов), а электростатические, характеризующиеся наличием электрического поля. Реальные диэлектрики имеют некоторое (очень малое) количество свободных зарядов и как следствие отличающуюся от нуля проводимость. Электродинамические явления в нормальных условиях работы диэлектрических материалов выражены очень слабо. Диэлектрики служат для изоляции друг от друга различных токопроводящих деталей, находящихся под разными потенциалами, или для создания электрической емкости в конденсаторах.

Магнитные превращения.  Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы. При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определенной температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа –  ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

 Температура плавления;

· 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);

 Повышенные температуры оказывают существенное влияние на такие механические характеристики конструкционных материалов, как ползучесть и длительная прочность. Ползучестью называют медленное непрерывное возрастание пластической (остаточной) деформации под воздействием постоянных нагрузок. Длительной прочностью называется зависимость разрушающих напряжений (временного сопротивления) от длительности эксплуатации. Свойства ползучести и длительной прочности проявляются у углеродистых сталей при Т >300°С, для легированных сталей при Т>350°С. для алюминиевых сплавов при Т>100°С. Некоторые материалы проявляют эти свойства и при обычных температурах.

Мерой оценки ползучести материала является предел ползучести - напряжение, при котором пластическая деформация за определенный промежуток времени достигает заданной величины. В некоторых случаях сопротивление ползучести оценивается величиной скорости деформации по прошествии заданного времени. При обозначении предела ползучести указывается величина деформации, время и температура испытаний. Например, для жаропрочного сплава ХН77ТЮР при температуре 700°С за время 100 часов и деформации ползучести 0,2% предел ползучести составляет 400 МПа:s_0,2/100 (700) =400 МПа.

Ползучесть сопровождается релаксацией напряжений - самопроизвольным уменьшением напряжений с течением времени при неизменной деформации. Скорость релаксации напряжений возрастает при повышении температуры. Мерой скорости релаксации служит время релаксации - промежуток времени, в течение которого напряжение уменьшается по сравнению с начальным значением в е=2,718 раза.

Прочность материала при повышенных температурах оценивается пределом длительной прочности - напряжением, при котором материал разрушается не ранее заданного времени. При обозначении предела длительной прочности указывается продолжительность нагружения и температура испытания. Так, для сплава ХН77ТЮР при температуре 700°С и времени 1000 часов предел длительной прочности составляет s_{дл 100}(700)==330 МПа. При кратковременных испытаниях для этого же сплава при температуре 700°С пределы прочности и текучести соответственно равны: s_в=830 МПа, s_0,2=560 МПа.

Влияние повышенных температур на характеристики прочности и пластичности можно проследить на рис. 2 и 3, где представлены осредненные результаты экспериментов для 1-углеродистой стали, содержащей 0,15% углерода; 2-0,40% углерода, 3-хромистой стали. Прочность углеродистых сталей с повышением температуры до 650-700°С снижается почти в десять раз. Наиболее резкое снижение s_в наблюдается для алюминиевых сплавов. Наибольшими значениями s_в при высоких температурах обладают литые жаропрочные сплавы, содержащие 70-80% никеля. Снижение пределов текучестиs_т с повышением температуры происходит примерно так же, как и снижение s_в. Для углеродистых сталей характерным является ухудшение пластических свойств (охрупчивание) при температурах около 300°С (кривая 2 на рис. 3).

Влияние температур на упругие свойства. Температурный коэффициент линейного расширения   и температурный коэффициент модуля упругости   связаны между собой соотношением

 или 

где r и m - постоянные, характеризующие параметры кристаллической решетки. На рис. 4 приведена зависимость безразмерного модуля упругости Е/Е₀некоторых конструкционных материалов от температуры (E₀ - модуль упругости материала при обычной температуре): 1 - нержавеющая сталь; 2 - алюминиевые сплавы, 3 - углеродистые стали, 4 - титановые сплавы.

Для сталей с повышением температуры испытаний с 25 до 450°С модули упругости Е и G уменьшаются на 20-40%, при этом, начиная с 300-400°С наблюдается расхождение между значениями модулей, определенными при статических и динамических испытаниях.

Изменение модулей упругости при малый колебаниях температуры (от -50 до +500С) незначительно и им обычно пренебрегают.

Изменение свойств конструкционных материалов при охлаждении

Многие элементы современных машин и аппаратов работают в условиях умеренного (до 200 К) и глубокого (до 4 К) охлаждения. Это элементы установок сжижения и разделения газов, системы космических аппаратов, высотных самолетов, детали и узлы транспортных и горных машин, работающих в условиях Крайнего Севера, и др. Применяемые для их изготовления конструкционные материалы должны обеспечивать надежную работу аппаратов, машин и механизмов в заданных температурных условиях. Высоколегированные стали и сплавы на основе никеля, алюминия, титана, композиционные материалы и пластики получают все большее распространение наряду с применяемыми обычно конструкционными сталями. Чтобы выбрать наиболее подходящий для заданных рабочих условий материал и правильно определить надежность и долговечность изделия, конструктору требуются глубокие знания физической природы процессов, происходящих в материалах при эксплуатации, а также точные данные об изменениях основных характеристик материалов под воздействием внешних условий. С понижением температуры большинство материалов становится более прочными и износостойкими. При 77 К (температура кипения жидкого азота) предел прочности большинства металлов в 2-5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается в 8 раз, стекла- в 12 раз. При 4,2 К (температура кипения жидкого гелия) предел прочности меди в 2 раза больше, чем при комнатной температуре, а прессованного алюминия в 6 раз, сталей в 2,5-3 раза. Уменьшение пластичности и повышение твердости при низких температурах позволяет повысить эффективность механической обработки ряда материалов. При низких температурах улучшаются режущие свойства и повышается стойкость металлорежущего инструмента. Применение холода для термической обработки металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получить необходимую структуру. Однако при низких температурах в материале, особенно под нагрузкой, могут происходить внутренние структурные превращения, в результате чего возрастает опасность внезапного разрушения деталей. Поэтому даже в тех случаях, когда глубокое охлаждение носило временный характер, при последующей работе в условиях нормальных температур следует считаться с возможными остаточными явлениями, а при работе в условиях низких температур необходимо учитывать возможность преждевременного хрупкого разрушения материала в результате уменьшения пластичности. Одна из причин хрупкого разрушения - мартенситное превращение, сопровождающееся увеличением объема и снижением ударной вязкости. Изменение объема тела сложной формы при локальных выделениях мартенсита сопровождается возникновением дополнительных местных напряжений, часто приводящих к разрушению деталей. В связи с этим целесообразно на заводе-изготовителе подвергать воздействию низких температур все детали и узлы машин, предназначенные для работы в условиях низких температур. После такой обработки в материалах деталей закончатся все процессы структурообразования и можно будет забраковать детали, в которых возникнут при этом дополнительные напряжения. На заводе могут быть разработаны такие конструктивные формы деталей, в которых внутренние напряжения минимальны. Изменения структуры материала сопровождаются изменением его плотности, а также прочностных, электрических и магнитных характеристик. При обработке холодом стальных деталей можно добиться необходимого изменения указанных характеристик. В машиностроении широко используется нагрев (тепловая обработка) как средство получения высокопрочного или пластичного структурного состояния сталей и сплавов, а также для снижения остаточных напряжений и для уменьшения структурных отличий основного металла и сварных швов. Совершенствование техники получения низких температур и опыт использования холодильных установок позволяют применять холод в технологии машиностроения. Изучение поведения материалов и особенностей их разрушения при низких температурах имеет значение для успешного освоения Крайнего Севера и некоторых других районов страны, где техника работает значительное время года при низких (до 215 К) температурах. Машины и механизмы, не приспособленные для работы в таких условиях, быстро выходят из строя. Конструирование и производство такого рода техники должно определяться обоснованными рекомендациями по выбору материалов и экспериментально проверенных методов оценки склонности металлов к хрупкому разрушению. Уменьшить аварийность и повысить долговечность машин и механизмов можно только при условии учета особенностей поведения материалов при низких температурах, правильного подбора материалов для конструкций, несущих значительные силовые нагрузки, проведения испытаний деталей наиболее ответственных узлов и целых механизмов в условиях низких температур, вакуума, тепловых ударов и т. д.

 

Тепловое состояние тела характеризуется его температурой. Когда температура снижается, термоактивируемые эффекты в кристаллических телах уменьшаются; значительно изменяются основные физические и механические свойства. Электросопротивление металлов линейно уменьшается с понижением температуры и устанавливается на значении, обычно называемом остаточным сопротивлением. Определение остаточного сопротивления является чувствительным методом изучения степени совершенства кристаллического строения металла, так как точка остаточного сопротивления определяется рассеянием электронов из-за примесей и дефектов в кристаллах. У ряда металлов при температурах от 4 до 23 К электрическое сопротивление падает до нуля [1]. Опыты указывают на снижение предела текучести металлов при переходе в сверхпроводящее состояние в связи с ослаблением электронного торможения дислокаций. На прочность и вид разрушения твердых тел не влияет переход в сверхпроводящее состояние. Теплоемкость всех материалов становится чрезвычайно малой при криогенных температурах (ниже 200 К), и даже небольшое количество тепла может существенно изменить температуру тела. Влияние электронов проводимости на теплоемкость ощутимо лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Теплоемкость твердых тел, которая меняется в начале охлаждения почти линейно, в криогенной области пропорциональна третьей степени абсолютной температуры (закон Дебая). Теплопроводность у относительно чистых металлов зависит главным образом от электронного вклада и при охлаждении сначала увеличивается, а затем быстро падает до нуля. У сплавов теплопроводность зависит как от электронной структуры, так и от кристаллического строения, а поэтому меньше чувствительна к снижению температуры. Важным свойством конструкционных материалов при их механической обработке в условиях низких температур и при их использовании в низкотемпературной технике является термическое расширение. С повышением температуры тела амплитуда колебаний атомов увеличивается, растет среднее расстояние между атомами, увеличивается объем тела. Расширение заметно при нагреве выше 20 К. Для большинства материалов после 55 и до 290 К термическое расширение изменяется линейно. Относительный температурный коэффициент линейного расширения стремится к нулю при температурах, близких к абсолютному нулю [2]. Общее термическое линейное расширение у металлов при нагреве от гелиевых температур до 293 К обычно меньше 0,5 % первоначальной длины образца: у меди, например, 0,3 % [3]. У хромоникелевых сталей заметное изменение относительного температурного коэффициента расширения при охлаждении наступает после мартенситного превращения [3]. Обычно в конструкторских и технологических расчетах пользуются средним значением температурного коэффициента линейного расширения для определенного температурного интервала (табл. 1).

Температурный коэффициент линейного расширения α материалов при охлаждении

Таблица 1

 

Материал	Средние α·106 К-1 в интервале температур
	От 273 до 200 К	От 273 до 80 К
Алюминий (99,99 %)	21,6	18,3
АМг6	22,1	18,2
Д16	22,2	18,2
Медь (99,95 %)	15,9	13,6
Никель (Н2)	11,5	10,1
Монель	13,0	11,1
Инвар	2,6	2,4
Олово (99,90 %)	19,8	18,3
Армко-железо (99,95 %)	11,0	8,89
Сталь 45	10,7	8,2
Сталь 20Г	10,9	8,5
12Х18Н10Т	15,1	13,2
30ХГСА	10,5	9,7
Сталь инструментальная	11,5	10,5
Титан (99,85%)	8,0	6,7
АТ2	8,3	6,9
ВТ5-1	8,9	7,9
Чугун СЧ 32-52	11,2	-