Материаловедение и технология конструкционных материалов

Максимальное длительно действующее напряжение, при ко­ тором деформация еще равна нулю, называется теоретическим пределом ползучести.

Процесс испытания изображают в виде первичной кривой пол­ зучести в координатах «относительное удлинение — время», по которой определяют напряжение, соответствующее условному пределу ползучести материала (рис 1.14).

Рис. 1.14. Удлинение образца во времени:

5а — начальное удлинение под действием нагрузки; 5„ — удлинение на криволинейном участке кривой ползучести; 5С— удлинение на прямоли­ нейном участке

Условный предел ползучести — напряжение, которое за ус­ тановленное время испытания при данной температуре вызывает заданное удлинение образца или заданную скорость ползучести на прямолинейном участке кривой ползучести.

При определении по величине деформации предел ползучести обозначается символом с с тремя числовыми индексами: двумя нижними и одним верхним. Первый нижний индекс обозначает заданное удлинение (суммарное или остаточное) в процентах, вто­ рой — заданную продолжительность времени испытания в часах, верхний индекс — температуру в градусах Цельсия. Например, сто°2 /юо — предел ползучести при допуске на деформацию 0,20 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С. При этом необходимо дополнительно указать, по суммарной или остаточной деформа­ ции определялся предел ползучести.

В случае определения предела ползучести по скорости ползу­ чести он обозначается символом а с двумя числовыми индексами: верхним и нижним. Нижний индекс обозначает заданную ско-

металлический защитный корпус 6, в котором размещается рент­ геновская трубка РТ и блок трансформаторов 5. Защитный кожух имеет окно для выхода рентгеновского излучения. Рентгенов­ ская трубка является основным элементом аппарата и представ­ ляет собой вакуумируемую колбу 2 с запаянными в нее катодом 4

ианодом 7. Нить накала 3 катода изготовляется из вольфрама

иразогревается электрическим током до температуры 2400...

3000 РС, при которой происходит термоэмиссия электронов. Электроны разгоняются в электрическом поле и попадают на зеркало анода 1, отдают ему свою кинетическую энергию, часть

из которой преобразуется в рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи проходят через просвечиваемое изделие 8

и попадают на фотопленку 10. Если в изделии имеются дефекты, например газовые или шлаковые включения 9, проводимость рентгеновских лучей у которых выше, чем у металла, на пленке в месте расположения включения проявится темное пятно 11.

Сходные результаты получаются в случае просвечивания изде­ лий ^-лучами (рис. 1.16). Ампула 1 с радиоактивным веществом установлена в свинцовом кожухе 2, через отверстие которого выходит поток у-лучей. В случае наличия в изделии 3 дефекта на пленке 4 появится темное пятно.

3

4

Рис. 1.16. Просвечивание у-лучами

Ультразвуковой метод контроля качества изделий отно­ сится к эхоакустическим, в основу которых положен ввод ультра­ звуковых колебаний (УЗК) в исследуемый объект и регистрация отраженных волн (рис. 1.17). Электрический сигнал от генера­ тора импульсов 4 поступает на электроакустический преобразо­ ватель 3 и электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 5, на экране 6 которой формируется начальный зондирующий импульс А.

Д л я э т о г о изделие помещают в магнитное поле. Магнитный поток, проходя через изделие 1, наталкивается на дефект 2 (тре­ щину, неметаллическое включение, газовую раковину), магнит­ ная проницаемость которого ниже, чем у металла. Магнитные силовые линии не могут прерываться, поэтому они: выходят из образца в окружающую среду. Если на поверхность изделия на­ несен ферромагнитный порошок, то в местах выхода магнитных силовых линий из образца на поверхность образуется валик, по­ вторяющий характер и форму дефекта. Вместо ферромагнитного порошка можно использовать магнитную ленту, запись с которой считывается преобразователем.

Коррозия металлов

Под коррозией понимают повреждение и разрушение металлов вследствие химического или электрохимического взаимодейст­ вия с окружающей средой. Ей в основном подвержены неблаго­ родные металлы, легко взаимодействующие с неметаллами.

Различают следующие виды коррозии.

Равномерное разрушение происходит по всей поверхности и оце­ нивается в мм/год. Так', например, корпуса судов корродируют со скоростью до 0,3 мм/год.

При точечной (питинговой) коррозии наблюдается местное разъедание металла, приводящее в итоге к появлению углубле­ ний или сквозных дыр.

Избирательная (селективная) коррозия характерна для спла­ вов с различными структурными составляющими, склонность которых к взаимодействию со средой неодинакова. Например, у чугуна, структура которого состоит из металлической основы и графита, окисляется металл, а на поверхности остается мяг­ кий графитный скелет.

Межкристаллитная коррозия происходит по границам зе­ рен. На границе зерен, как правило, собираются более рыхлые примеси, такие как сера, фосфор, что создает предпосылки для их окисления. Например, у нержавеющих сталей при темпера­ туре свыше 600 °С по границам зерен могут выделяться карбиды, что вызывает обеднение металла хромом и снижение его корро­ зионной стойкости.

Черезкристаллитная коррозия проходит через зерна, обра­ зующие зерновую структуру металла. Обычно она наблюдается в находящихся под напряжением металлах или под воздействи­ ем длительных знакопеременных нагрузок.

Коррозионные испытания проводят для того, чтобы опреде­ лить поведение металлов в различных средах и климатических условиях, а также разработать наиболее эффективные способы защиты от коррозии. Различают натурные и лабораторные испы­ тания. В первом случае образцы помещают совместно с работаю­ щими изделиями в производственную среду и периодически наблюдают за процессом коррозии. Естественно, что образцы должны быть изготовлены из того же материала, что и изделие. Лабораторные испытания позволяют оценить пригодность мате­ риалов для работы в определенных условиях в короткие сроки. Для этого проектируют и изготавливают шкафы, имитирующие климатические или почвенные условия, электролизные ванны для изучения коррозии под воздействием тока и установки, по­ зволяющие сравнивать поведение металлов в различных средах под нагрузкой.

Способность металлов взаимодействовать с различными сре­ дами была рассмотрена выше (см. табл. 1.2).

Кроме химических, физических и прочностных свойств ме­ таллы характеризуются технологическими свойствами, которые указывают на способность металлов и сплавов обрабатываться различными методами. Эти свойства будут рассмотрены в разде­ лах «Литейное производство», «Обработка металлов давлением», «Сварочное производство» и «Обработка резанием».

ИОБШЕЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРОЕНИИ МЕТАЛЛОВ

И..... .

Кристаллические структуры металлов 2.1. и сплавов

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относи­ тельно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое законо­ мерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема кристаллической решетки

В кристаллической решетке можно выделить элемент объема, образованный минимальным количеством атомов, многократное повторение которого в пространстве позволяет построить весь кристалл. Такой элементарный объем, характеризующий осо­ бенности строения данного типа кристалла, называется элемен­ тарной ячейкой. Для ее описания используют шесть величин: три ребра ячейки а,Ь ,с и три угла между ними а, |3, у. Эти вели­ чины называются параметрами элементарной ячейки.

Существует всего 14 типов кристаллических решеток, свойст­ венных элементам периодической системы. Наиболее распростра­ ненными среди металлов являются следующие типы решеток (рис. 2.2: линии на схемах условные; в действительности никаких

Рис. 2.2. Типы кристаллических решеток:

а — объемноцентрированная кубическая; б — гранецентрированная

кубическая; е — гексагональная плотноупакованная

линий не существует, а атомы колеблются с большой частотой возле точек равновесия, т.е. узлов решетки):

□объемноцентрированная кубическая (ОЦК) — атомы рас­ положены в вершинах и в центре куба; такую решетку имеют Na, V, Nb, Fea, К, Cr, W и другие металлы;

□гранецентрированная кубическая (ГЦК) — атомы располо­ жены в вершинах куба и в центре каждой грани; решетку тако­ го типа имеют Pb, Al, Ni, Ag, Au, Си, Со, Fey и другие металлы;

□гексагональная плотноупакованная (ГПУ) — четырнадцать атомов расположены в вершинах и центре шестиугольных осно­ ваний призмы, а три — в средней плоскости призмы; такую ре­ шетку имеют Mg, Ti, Re, Zn, Hf, Be, Са и другие металлы.

Кристаллическую решетку характеризуют следующие основ­ ные параметры: период, координационное число, базис и коэф­ фициент компактности.

Периодом решетки называется расстояние между двумя со­ седними параллельными кристаллографическими плоскостями

вэлементарной ячейке решетки. Он измеряется в нанометрах (1 нм = 10“9 м) и для большинства металлов лежит в пределах 0,1...0,7 нм. Например, период решетки Fe — 0,287 нм; Си — 0,361 нм; W — 0,316 нм.

Координационное число показывает количество атомов, на­ ходящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке. Для ГЦК решетки координацион­ ное число равно 12, ОЦК — 8, ГПУ — 12.

Базисом решетки называется количество атомов, приходящих­ ся на одну элементарную ячейку. Так, на одну элементарную ячейку ОЦК решетки приходятся два атома: один, находящийся

вцентре куба и принадлежащий только данной ячейке, и вто­ рой — как сумма долей, которую вносят атомы, расположенные

ввершинах куба и принадлежащие одновременно восьми сопря­

женным элементарным ячейкам ^ - 8 = lj. Базисное число ГЦК

и ГПУ решеток равно 4.

Коэффициент компактности (плотность упаковки) решет­ ки г) определяется отношением объема Уа, занимаемого атомами, ко всему объему элементарной ячейки решетки Fp:

Л = Va / Fp.

Плотность упаковки поцк = 0,68, Г\гцк = 0,74, r\rav = 0,74. Рассматривая модель кристаллической решетки (см. рис. 2.2),

можно заметить, что плотность атомов в различных плоскостях неодинакова. По этой причине свойства отдельно взятого кристал­ ла, в том числе химические, физические и механические, в разных направлениях будут отличаться. Такое различие свойств назы­ вается анизотропией. Все кристаллы анизотропны. Помимо кри­ сталлических тел, существуют аморфные, в которых атомы со­ вершают малые колебания вокруг хаотически расположенных равновесных положений, т.е. не образуют кристаллическую ре­ шетку. В таких телах свойства не зависйт от направления, т.е. они изотропны.

Стецень анизотропности может быть значительной. Исследо­ вания монокристалла меди в различных направлениях показали, что временное сопротивление с„ изменяется в нем в диапазоне 120...360 МПа, а относительное удлинение 8 — 10...55 %.

Технические металлы являются поликристаллическими ве­ ществами, состоящими из множества мелких (10_1...10~5 см), различно ориентированных относительно друг друга кристал­ лов, и их свойства во всех направлениях усредняются. Это озна­ чает, что металлы и сплавы изотропны.