Основы физики твердого тела для строителей

а

б

в

Рис. 4.6. Примеры некоторых из возможных структур углеродных нанотрубок, зависящих от способа сворачивания графитового листа:

а– кресельная структура; б – загзагообразная структура;

в– хиральная структура

Углеродные нанотрубки могут образовывать прочные связи с железом, являющимся основным компонентом стали. На рис. 4.7 показаны результаты вычисления прочности стали на разрыв в зависимости от объемной доли однослойных углеродных нанотрубок диаметром 10 нм и длиной 100 микрон.

Из графика видно, что при 30 %-м содержании ориентированных углеродных нанотрубок происходит увеличение прочности в семь раз.

Несмотря на то, что все эти результаты выглядят очень многообещающими, предстоит сделать еще очень многое, особенно в области разработки методов введения нанотрубок в металлы и пластики, а также в разработке масштабного недорогого способа производства нанотрубок.

141

В результате такой композиции работа на разрушающий удар выросла на порядок. Фактически к этому способу упрочнения относится и поверхностная закалка. Остроумным решением вопроса применения таких материалов является изготовление самозатачивающихся режущих инструментов.

4. Естественные композитные материалы.

При направленной кристаллизации сплавов получается чередование мягких и твердых прослоек. Причем композитный материал можно получить и на основе одного химического элемента, например, аморфный углерод, упрочненный графитовыми нитями.

4.9. Конструкционная прочность

Под конструкционной прочностью понимается комплекс показателей, определяющих работоспособность материала в конкретной конструкции при данных условиях испытания.

Конструкционная прочность зависит от характеристик используемого материала и таланта конструктора. Можно сказать, что мерой конструкционной прочности являются надежность и долговечность изделия.

Какие характеристики (паспортные данные) учитывает конструктор? К характеристикам прочности относят:

а) предел прочности (временное сопротивление) – напряжение в материале, соответствующее максимальному значению нагрузки пе-

б) предел текучести т – значение напряжения, при котором в теле впервые возникает пластическая деформация. Для металлов обычно вводят условный предел текучести – значение напряжения, вызывающего пластическую деформацию заданной величины, при растяжении – 0,2 % (обозначают 0,2), при кручении – 0,3 % (обозначают 0,3);

в) предел упругости – максимальное напряжение, при котором еще не обнаруживается пластическая деформация. Условный предел текучести – значение напряжения, вызывающего пластическую деформацию, равную 0,05 % (обозначают 0,05);

143

г) предел усталости (предел выносливости) — максимальное напряжение при циклическом нагружении, которое не вызывает разрушения, возникая неопределенно большое число раз. Обозначается R;

д) с точки зрения конструкционной прочности составными элементами прочности являются и характеристики пластичности. Из них как особо важную выделим ударную вязкость – способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации под действием ударной нагрузки. Оценивается она по работе разрушения материала в специальных испытаниях (обозначается символом ан).

Здесь приведен далеко не полный перечень свойств материалов, изучаемых при стандартных испытаниях образцов. Добиться нужного сочетания свойств – непростая задача. Определяющую роль при ее решении играет знание механизмов, определяющих свойства материалов.

4.10. Твердость и методы ее измерения

Твердость – сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела – наконечника (индентора). В зависимости от метода испытания, свойств наконечника и испытуемого материала твердость может оцениваться различными критериями. В большинстве случаев твердость определяется по размерам оставшегося на поверхности отпечатка.

144

При определении твердости принято измерять диаметр и глубину отпечатка, наблюдаемого после снятия нагрузки.

Обращаем внимание на условность определения числа твердости по Бринеллю, т.к. отпечатки вдавливаемого шарика не имеют формы сегмента из-за его упругой деформации под нагрузкой.

Определение твердости по Бринеллю наиболее широко применяется при контроле процессов термообработки легированных сталей (к этим процессам относится отжиг и высокий отпуск).

Твердость по Роквеллу. Методом Бринелля нельзя определять твердость тонких и малых по величине изделий, а также металлов с высокой твердостью. Поэтому в дополнение к методу Бринелля предложен метод Роквелла, основанный на вдавливании стального шарика диаметром 1/16 " или 1/8 " или же алмазного конуса с углом 120°, вершина которого имеет сферическое закругление радиусом

0,2 мм.

Испытание на твердость по Роквеллу заключается в определении разности глубины внедрения в металл наконечника под действием двух нагрузок: предварительной F0 = 100 H и окончательной F = 600; 1000 или 1500 Н. Для измерения твердости очень тонких и твердых изделий применяются меньшие нагрузки (предварительная F0 = 30 H и окончательная F = 150; 300 или 450 Н).

Приборы Роквелла имеют много шкал. Каждая шкала характеризуется типом наконечника и значением конечной нагрузки F.

В нашей стране (в бывшем СССР) стандартизированы три шкалы Роквелла.

146

Твердость по Роквеллу имеет три области применения:

1.Определение твердости по шкале А производится для изделий из сверхтвердых сплавов с тонким закаленным слоем. Большие нагрузки здесь не применяются, т.к. они приводят к разрушению алмазного конуса. Большая производительность метода позволяет выявлять неравномерности закалки, места обезуглероживания, поджоги поверхности при шлифовке и т.д.

2.Шкала В применяется для определения твердости изделий малой толщины с умеренной твердостью (например, твердость автомобильного листа).

3.Твердость по шкале С является показателем качества закалки инструментов и цементированных изделий.

Твердость по Виккерсу. Метод Виккерса (название фирмы, изготавливающей твердомеры) основан на вдавливании полированной алмазной пирамиды с квадратным основанием и углом b = 136° между противоположными гранями. Достоинства этого метода следующие:

твердость (HV) не зависит от нагрузки; можно испытывать очень твердые материалы; разрушение изделия минимально;

можно определять твердость очень тонких слоев, например, при хромировании, азотировании и т.п.

Микротвердость. Название само говорит о сущности метода: вдавливаются алмазные наконечники при весьма малых нагрузках. Например, в отечественном микротвердомере ПМТ-3 применяются нагрузки от 0,2 до 2 Н. Наконечником служит алмазная пирамида с квадратным основанием и углом при вершине между противоположными гранями 136°. Микротвердость подсчитывают как частное от деления величины нагрузки на площадь боковой поверхности отпечатка, которая определяется путем измерения диагоналей отпечатка по формуле

147

где F – величина нагрузки на наконечник, Н; d – величина диагонали отпечатка, мкм.

Подсчет чисел микротвердости возможен также по специальным таблицам.

Этот метод позволяет определять твердость материала в весьма малых объемах и применяется при исследованиях тонких струк-тур, например, при изучении твердости отдельных фаз или включений в сложных структурах сплавов и т.п.

Подчеркнем, что результаты испытаний на твердость и микротвердость становятся многократно ценней, если удается установить связь между ними и характеристиками пластичности материала, определяемыми по кривым нагружения.

Рассмотренные выше методы определения твердости относятся к числу статических. Практикуются и динамические методы измерения твердости, которые можно разбить на три основные группы:

1)метод вдавливания шарика ударом (метод отпечатка);

2)метод упругой отдачи (метод отскакивания);

3)метод затухания колебаний (маятниковые методы).

Эти методы зависят от гораздо большего числа факторов, чем статические (скорость удара, соотношение масс соударяемых тел и т.д.), и всегда дают большее расхождение значений твердости. Но простота и быстрота испытаний является их преимуществом.

В результате исследований установлена следующая эмпирическая зависимость между пределом прочности р и

твердостью по Бринеллю НВ для многих пластических материалов:

p c ,

где с – коэффициент пропорциональности; для сталей с = 0,33 – 0,36. Следует заметить, что для хрупких материалов (чугун, силумин)

надежной корреляции между твердостью и пределом прочности получить не удается.

148

Для измерения твердости вязкоупругих материалов (резин, полиуретанов, пластиков и др.) в Институте прикладной физики НАН Беларуси создан прибор IMPULSE-1R (рис. 4.9). Испытуемый материал подвергается воздействию индентора, который совершает удар. В блок-схему измерительного тракта входят датчики, являющиеся преобразователями механических параметров удара в электрические сигналы, и измерительная аппаратура, позволяющая регистрировать эти сигналы. Современный компьютеризированный метод и реализующая его аппаратура позволяют в течение нескольких секунд получить информацию не только о твердости, но также о вязкости, эластичности, динамическом и статическом модулях упругости, а также ряде других характеристик испытуемого материала.

Рис. 4.9. Прибор для определения механических свойств вязкопластичных материалов IMPULSE-1R

Контрольные вопросы

1.Что такое прочность твердых тел?

2.В чем причина разительного отличия теоретической прочности металлов от реальной прочности?

3.Какой вид упрочнения металлов наиболее широко применяется?

4.Металлы с каким типом решетки наиболее упрочняемы наклепом?

5.Стальная проволока для тросов производится методом холодной вытяжки. Чем объясняется высокая прочность тросов?

149