Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет

Кафедра литейных процессов и конструкционных материалов

Учебное пособие по дисциплине «Материаловедение»

Составитель

Л.В. Картонова

Владимир 2010

УДК 620.22

Учебное пособие по дисциплине «Материаловедение»/ Владим. гос. ун-т; Сост.: Л.В.Картонова. Владимир. 2010. - 103 с.

Содержит изложение основных вопросов курса «Материаловедение», вызывающих наибольшую трудность при изучении данной дисциплины. Разработано для студентов машиностроительных специальностей очной и заочной форм обучения.

Библиогр.: 21 назв.

Введение

Материаловедение – это наука, изучающая и устанавливающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами современных машиностроительных материалов, а также о методах изменения этих свойств.

Все материалы обычно делят на металлические и неметаллические. В химии под металлами понимают определенную группу элементов, расположенную в левой части Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Все элементы, расположенные левее галлия, индия и таллия – металлы, а правее мышьяка, сурьмы и висмута – неметаллами.

Несмотря на то, что в машиностроении используются различные материалы, основными конструкционными материалами являются металлы и металлические сплавы.

В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам пластичностью. Металлические материалы принято делить на две группы: черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Наибольшее применение нашли черные металлы. Широкое использование железа и его сплавов связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью, высокими технологическими и механическими свойствами. К металлам железной группы нередко относят кобальт, никель, а также близкий к ним по свойства марганец.

Цветные металлы всего подразделяются (по сходным свойствам) на:

– легкие (бериллий, магний, алюминий), обладающие малой плотность;

– благородные (серебро, золото, металлы платиновой группы), обладающие химической инертностью;

– легкоплавкие металлы (цинк, кадмий, олово, ртуть, свинец, таллий, сурьма).

Глава 1. Свойства металлов и сплавов

1. Механические свойства

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних сил. Механические свойства определяются при статических и динамических испытаниях.

По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг и срез. Наиболее распространены испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84).

К механическим свойствам обычно относят прочность, твердость, пластичность и ударную вязкость.

Прочность при растяжении определяется критерием, который называется временным сопротивлением или пределом прочности:

,

где σ – предел прочности, Р_max – наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, F₀ – площадь поперечного сечения образца до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ:

, и

относительным сужением ψ:

,

где l₀ и F₀ – начальная длина и площадь поперечного сечения образца; l_к – конечная длина образца; F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

Твердость – это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора) определенной формы и размера. Индентор - тело правильной геометрической формы (шар, конус, трех- и четырехгранная пирамида) изготовляется из прочных материалов: закаленной стали, твердого сплава или алмаза.

По характеру воздействия индикатора на поверхность испытуемого материала различают:

- способ вдавливания, понимая под твердостью сопротивление вещества внедрению в него индентора (методы определения твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу и др.);

- способ по отскоку наконечника – шарика, характеризующий упругие свойства материала (метод Шора);

- способ царапания поверхности характеризует сопротивление разрушению путем среза (метод Мооса).

Различают статические, статико-динамические и динамические ме­тоды измерения твердости.

Прочность и пластичность при динамических испытаниях оцениваются по ударной вязкости.

Под ударной вязкостью КС, МДж/м² понимают работу удара К (МДж), отнесенную к начальной площади поперечного сечения S₀ (м²) образца в месте концентратора: КС = К/ S₀. Предусматриваются образцы с концентраторами трех видов (ГОСТ 9454-78): U с радиусом концентратора R = 1 мм, V с R = 0,25 мм и углом 45⁰ и Т – усталостная трещина. Соответственно ударная вязкость обозначается КСU, КСV и КСТ.

Основной критерий ударной вязкости является КСV. Она состоит из двух составляющих:

КСV = КС_з + КС_р,

где КС_з – работа зарождения трещины; КС_р ≈ КСТ – работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше КС_з. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.