реферат мат / 1 / МЕТАЛЛ

Технический прогресс просто невозможен без применения конструкционных материалов: высокопрочных, коррозионно-стойких, износоустойчивых и др. В технике применяют различные материалы и сплавы. Чтобы судить о пригодности данного металла или сплава для изготовления из него определенной детали, необходимо знать его свойства. Все материалы характеризуются физическими, химическими, механическими, технологическими и др. свойствами.

Конструкционные материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, радиоэлектронной аппаратуры и др., должны обладать определенным комплексом механических и физических свойств.

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок.

Механическими свойствами материалов являются прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность.

Прочность – способность материалов сопротивляться действию внешних сил, выдерживать их, не разрушаясь.

Упругость - способность материалов возвращаться в первоначальное состояние по прекращении действия силы, вызывавшей изменение положения, формы и объема.

Пластичность – способность материалов деформироваться (изменять форму и объем) под действием внешних сил, не разрушаясь, изменять свою форму и размеры после снятия сил, т.е. получать необратимую деформацию.

Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого материала.

Ударная вязкость – способность материалов сопротивляться динамическим нагрузкам – ударам.

Выносливость – способность материала выдерживать повторные или знакопеременные нагрузки.

Ползучесть – способность металла медленно и непрерывно удлиняться (ползти) от постоянных, приложенных к нему сил, особенно при условии работы с повышенным и высоким температурными режимами, при напряжениях ниже предела упругости для данного металла.

Основные прочностные свойства характеризуются пределами прочности и текучести; пластические свойства - относительным удлинением, относительным сужением и ударной вязкостью.

Пластичность – одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Пластичность характеризуется следующими показателями:

Относительным удлинением δ называется отношение приращения длины образца после растяжения к его первоначальной длине: ∆l

δ =(∆l/ l)100%.

Относительным сужением Ψ называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после растяжения к первоначальной площади поперечного сечения

Ψ=(∆ F/ F)100%.

Значение ударной вязкости а_н (кгс м/см²) представляет собой работу удара, затрачиваемую на разрушение образца, отнесенную к единице площади поперечного сечения стандартного нарезанного образца.

Все перечисленные характеристики определяются на стандартных образцах с помощью испытательных машин. Предел прочности, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение снимаются при статическом нагружении образца растяжением, сжатием, изгибом, кручением, в зависимости от эксплуатационных требований. По результатам статических испытаний на растяжение, проводимые на специальных машинах с малыми скоростями перемещений рабочих органов, находятся механические свойства материалов. Прежде всего это прочностные характеристики.

Напряжение σ_т (F_т/S_о), соответствующее возникновению площадки текучести на записанной в процессе испытаний диаграмме в координатах напряжение σ - деформация ε, называется физическим пределом текучести. При отсутствии площадки определяют условный предел текучести σ_0,2, которым является напряжение, приводящее к остаточной деформации 0,2% от длины образца.

Более высокие напряжения вызывают рост пластической деформации. Напряжение, предшествующее разрушению образца, называют временным или пределом прочности σ_в (F_в/S_о).

Пластические характеристики материалов находят, измеряя образцы до и после испытаний. Таким образом определяется предшествующая разрушению пластическая деформация, выражаемая относительным удлинением

δ =	lк – lо
	lо

или относительным сужением

Ψ =	S0 – Sк	100%
	S0

Здесь l₀, l_к – начальная и конечная после разрушения длины образцов; S₀, S_к – площади поперечных сечений образцов до и после разрушения.

Помимо статических проводят динамические испытания на ударный изгиб. Специальные образцы с надрезом (концентратом) разрушают на маятниковом копре за один удар. Ударная вязкость а_н представляет собой работу (необходимую для разрушения), отнесенную к рабочей площади поперечного сечения образца. Детали машин могут подвергаться воздействию повторно-переменных (циклических) напряжений. В пределах цикла напряжения могут принимать наибольшее и наименьшее значения. Циклы характеризуются коэффициентом асимметрии R_σ = σ_min/σ_max, если σ_min = σ_max, то цикл симметричный и R_σ =-1.

Постепенное накопление повреждений в металле, возникающее при действии циклических нагрузок, приводит к образованию трещин и разрушению. Это явление называется усталостью. Свойство же металлов противостоять усталости называется выносливостью.

По результатам специальных испытаний строят кривые усталости. Пределу выносливости (σ_-1 – при симметричном или σ_R – несимметричном циклах) соответствует напряжение σ_max, не вызывающее разрушения образцов при бесконечно большом числе циклов нагружений N. Некоторые цветные сплавы не могут иметь горизонтального участка на кривых усталости. В этих случаях определяется ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение при заданном числе циклов. ( введены базы испытаний:

для стали 1 – не менее 10 х 10⁶ циклов и цветных металлов 2 – не менее 100 х 10⁶ циклов.)

Существует разрушение металлов отрывом под действием растягивающих (нормальных) напряжений. При этом предварительная пластическая деформация отсутствует, поэтому такой вид разрушения называется хрупким. Склонность металлов к хрупкому разрушению увеличивается с ростом скорости деформации, при наличии концентраторов напряжений и создании крупногабаритных изделий.

Разрушению срезом под действием касательных напряжений предшествует пластическая деформация, поэтому этот вид считают вязким разрушением. Характер разрушения можно определить визуально: вязкое разрушение обеспечивает волокнистый ( матовый), хрупкое – кристаллический (светлый) излом.

Железо, молибден, вольфрам и др. металлы в зависимости от температуры могут подвергнуты вязкому или хрупкому разрушению.

На схеме А.Ф.Иоффе (рис.) I- область хрупкого, II – область вязкого разрушения. При температурах ниже порога хладоломкости t_п.х. сопротивление обрыву σ_отр (разрушающее напряжение) меньше, чем сопротивление пластической деформации σ_т . таким образом создаются предпосылки для перехода вязкого разрушения в хрупкое. Для определения порога хладоломкости проводят специальные испытания ударным изгибом надрезанных образцов при различных температурах.

Прочностные свойства, обеспечивающие работоспособность материалов в условиях эксплуатации конкретных изделий, составляют конструктивную прочность металлов.

Механические свойства не могут служит достаточной характеристикой металлов из-за значительных различий между условиями испытаний и работы в реальной машине. Наиболее полно конструктивная прочность металлов может быть выявлена при проведении помимо механических стендовых, натурных и эксплуатационных испытаний.

Понятие надежности (сопротивление разрушению) и долговечности (способности разрушаться за многие акты нагружения) существуют применительно и к металлам.

Надежность оценивается рядом критериев.

Порог хладоломкости является важнейшей характеристикой склонности металлов к хрупкому разрушению. Необходимость иметь значительный температурный запас вязкости, представляющий собой интервал между температурой t_п.х. и рабочей температурой эксплуатации t_раб. Это снижает склонность металла к охрупчиванию и чувствительности его к концентраторам напряжений.

Ударная вязкость, выявляющая склонность металлов к хрупкому разрушению, также может быть представлена суммой работ по зарождению и распространению трещины в металле.

Скорость развития трещины при циклическом нагружении является важным свойством, характеризующим конструктивную прочность материалов.

Долговечность работы металла в конструкциях также оценивается в критериальной форме.

Прежде всего выявляют усталостную прочность.

Здесь уместно отметить, что чем лучше обработана поверхность, тем выше предел выносливости изделия. Кроме того, проведение химико-термической или другой упрочняющей обработки, обеспечивающей наведение на поверхности остаточных напряжений сжатия, повышает предел выносливости и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

Долговечность деталей машин во многом лимитируется износом, являющимся результатом трения, возникающего между их контактирующими поверхностями при относительном движении.

Существует термин «изнашивание», под которым понимают процессы, ведущие к износу. Различают механическое, коррозионно-механическое, эрозионное, кавитационное и усталостное изнашивания. Последний вид изнашивания называется также контактной усталостью. Недостаточная контактно-усталочная прочность поверхностных слоев зубчатых колес, подшипников качения и других деталей машин часто является причиной их выхода из строя.

Прочность – это свойство твердых тел сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под воздействием внешних сил. Поэтому увеличению прочности придают первостепенное значение, стремясь одновременно обеспечить и достаточную пластичность.

Теоретическая прочность металлов выражается формулой τ_теор. =G/2π, где G- модуль сдвига, представляющий собой коэффициент пропорциональности между касательным напряжением τ и относительным сдигом γ . Числовые значения модуля сдвига следующие: для железа – 77 000МПа, для меди- 44 000МПа, для алюминия-27 000МПа.

Техническая прочность металлов, определяемая значениями механических свойств σ_т, σ_в и др., значительно меньше теоретической. Фактическая прочность уменьшается главным образом вследствие наличия в металле несовершенств.

Повысить прочность металла значит продлить жизнь машин, оборудования, уменьшить их массу, улучшить надежность, повысить долговечность, экономичность и снизить металлоемкость.

Все современные методы упрочения металлов направлены на создание условий торможения дислокаций за счет увеличения их плотности, взаимодействия дислокаций с атомами легирующих элементов, измельчения блоков, образования дисперсных карбитов, нитритов и т. п. К наиболее прогрессивным методам упрочнения относят легирование, термическую и термомеханическую обработки, деформационное упрочнение и др.

Прочность металлов может быть повышена за счет создания бездефектных структур. Например, почти бездислокационные нитевидные кристаллы (усы) железа имеют прочность σ_в=13000МПа, а техническое железо- только 300МПа. Вторым фактором повышения прочности металлов является увеличение количества(повышение плотности) различных дефектов, в том числе и дислокаций. Прочность металлов с ростом числа дислокаций сначала уменьшается, а затем возрастает. Под плотностью дислокаций понимают суммарную длину дислокации (см) на на единицу объема(см³). Плотность дислокаций выражается в см^-2 . оптимальная считается плотность дислокаций, равная 10⁶…10⁸ см^-2 , присущая отожженым металлам. Критической считается плотность 10¹² …10¹³ см^-2 , превышение которой приводит к образованию трещин в металле.

Два случая влияния легирования на прочность металлов. Первый – когда в результате взаимодействия легирующего элемента с основным металлом образуется твердый раствор на базе решетки основного металла. Второй – когда легирование приводит к образованию новой, более прочной фазы. Предпочтительнее, когда эта фаза выделяется в виде скелетообразного каркаса. Примером такого рода упрочнения может служить изменение прочности железа под влиянием углерода. По мере увеличения содержания углерода в железе прочностные свойства возрастают за счет изменения фазового состава.

Возможность применения упрочняющей термической обработки определяется в основном типом диаграмм состояния и зависит от растворимости легирующих элементов в металле-основе, а также аллотропических превращениях в металлах. Существует много способов упрочнения за счет термической обработки, которые отличаются друг от друга температурой нагрева и условиями охлаждения. В качестве примера можно привести результаты термической обработки углеродистой стали с твердостью НВ 150…200. после термической обработки(закалки) ее твердость увеличивается в 2,5…3 раза.

Химико-термическая обработка является одним из методов поверхностного упрочнения стали. При этом изменяется химический состав, строение и свойства поверхностного слоя металла. В результате такой обработки повышаются твердость, предел выносливости, износостойкость, контактная прочность, сопротивление кавитационной эрозии, коррозийная стойкость и др. Например, известно, что многие детали машин и механизмов (зубчатые колеса, валы, поршневые пальцы, червяки, ролики подшипников и др.) работают в условиях износа и ударных нагрузок. Для таких деталей требуются твердая износостойкость и сравнительно мягкая сердцевина.

Упрочнение пластичной деформации (обкатка роликами, обдувка дробью и др.) используют главным образом в тех случаях, когда сплавы по каким-либо причинам не могут быть упрочнены термической обработкой.

Высокую прочность при достаточной пластичности можно получить при термомеханической обработке, которая заключается в том, что в едином технологическом процессе сочетаются деформация и закалка. В ряде случаев при этом наряду с повышением временного сопротивления при растяжении значительно увеличивается предел текучести (в 1,5…2 раза).

Для упрочнения сплавов в последнее время используют такие методы, как ультразвуковая обработка, магнитная обработка, облучение частицами высокой энергии, лазерная обработка, высокое давление и т.д.

Одним из путей повышения прочности является получение композиционных и многослойных материалов, а также получение материалов методами порошковой металлургии.

По прогнозам материаловедов в ближайшие годы будут созданы специальные сплавы и стали с пределами прочности 3500…6000 МПа,

Наиболее распространенным является испытание на растяжение. Значение ударной вязкости определяется при динамическом (ударном) нагружении на маятниковых копрах.

Пределом прочности σ_в (кгс/мм²) называется наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, отнесенная к единице площади поперечного сечения образца.

Условным пределом текучести σ_0,2(кгс/мм²) называется напряжение, при котором остаточная деформация образца при растяжении составляет 0,2% от его первоначальной длины.

Характеристиками твердости оценивается способность материала противодействовать проникновению в него другого более твердого тела. Значения твердости определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса при помощи специальных приборов.

Испытание по методу Бринелля производится вдавливанием стального закаленного шарика с последующим измерением диаметра отпечатка (ГОСТ 9012-59).

Отношение испытательной нагрузки к площади шаровой поверхности отпечатка дает число твердости по Бринеллю НВ, оно подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

HB=	_P_	=	___________2P_____
	M		πD2[1-√1-(d/D)2]

Для получения сопоставимых результатов при определении твердости НВ шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия. Подобие отпечатков при разных D и Р будет обеспечено, если угол φ остается постоянным. Подставив в формулу

_d_	=sin	_φ_
D		2

Получим следующее выражение:

HB=	_P_	_____2______
	D2	π[1-√1-sin	φ
			2

Из последней формулы следует, что значение НВ будет оставаться постоянным, если Р/D² =const и φ= const. Выбор отношения Р/D² , а следовательно и нагрузки вдавливания Р, зависит от уровня твердости материала.

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 НВ, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Испытание по методу Роквелла производится путем вдавливания алмазного конуса HRC и НRА или стального шарика НRВ (ГОСТ 9013-59).

Числа твердости по Роквеллу подсчитывают по формулам

HRA(HRC)=100-[(h-h₀/0.002];

HRВ=130-[(h-h₀/0.002];

Где 100и 130 – предельно заданное число делений индикаторного часового типа с ценой деления 0,002мм.

шкала	А	С	В
индентор	Алмазный конус	Алмазный конус	Стальной шарик
обозначение твердости	HRA	HRC	HRВ
Нагрузки вдавливания кгс(Н)
Р0	10(98,1)	10(98,1)	10(98,1)
Р1	50(490,5)	140(1373,4)	90(882,9)
Р	60(588,6)	150(1471,5)	100(981)

Различие в нагрузки Р₁ для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания. Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Для измерения твердости тонких слоев материалов и даже их отдельных структурных составляющих применяют метод микротвердости (ГОСТ 9450-76).

Испытание по методу Виккерса производится вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 136⁰ HV(ГОСТ2999-75). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d. Число твердости по Виккерсу НV подсчитывается как отношение нагрузка Р к площади поверхности пирамидального отпечаткаМ:

HV=	_P_	=	__2Psin_α/2____	=1.854	_P_ d12
	M		d2

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

Используемая литература:

1. Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман и др. Материаловедение и технология металлов.

М: изд. «Высшая школа», 2001

2. Н.А.Галактионова, И.Ф.Бойчук Конструкционные материалы и их обработка.

М: изд. «Металлургия», 1975

3. М.Е.Дриц, М.А.Москалев. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М: изд. «Высшая школа», 1990

8