Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.1 темы 2:

1. Что понимают под материаловедением?

2. Какие сплавы называют чугуном и сталью?

3. В чем заключаются физико-химическая сущность и особеннос­ти получения чугуна и стали?

4. Чем характеризуется строение стального слитка?

5. Какие стали называются спокойными, полу спокойными и кипя­щими? Какая из них наиболее дешевая?

6. Как получают медь, алюминий, титан?

7. Что лежит в основе получения неметаллических материалов?

8. Что называют пластмассами, клеями, асбестом?

9. Как и из чего получают резину и лакокрасочные материалы?

Контрольные вопросы для самопроверки по разделу 2.2 темы 2:

1. Какие полиморфные модификации имеет технически чистое же­лезо?

2. Что называют твердым раствором, механической смесью, химическим (интерметаллическим) соединением?

3. Что называют фазой сплава (системы)?

4. Какие кристаллические решетки имеет железо при различных температурах?

5. Что называется анизотропией?

6. Какие основные факторы процесса кристаллизации определяют строение металла?

7. Какими буквами обозначаются полиморфные модификации ме­талла?

8. Какие кристаллические решетки имеют полиморфные модифика­ции железа?

9. Как схематически изобразить кристаллические решетки твер­дых растворов замещения и внедрения?

10. Что лежит в основе строения неметаллических материалов?

2.3. «Механические свойства материалов и методы их определения»

Учёба – это труд и творчество, причём, труд тяжёлый, а творчество мучительное…

Знания в 21-м веке уподобились власти: их не дают, их берут!

«Я беру свои знания там, где их нахожу…». «Ищите и обрящите!»

[Библия, Мольер и автор]

Ключевые слова: Испытание образца материала на растяжение и определение прочности, пластичности и упругости. Определение ударной вязкос­ти и твердости. Методы определения твердости. Деформация и рек­ристаллизация металла.

Под механическими свойствамипонимают характеристики, опре­деляющие поведение материала под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам металла обычно относятпрочность,под которой понимают сопротивление металла деформации и разрушению ипластичность,т.е. способность металла к остаточ­ной деформации без разрушения. В результате механических испытаний получают числовые значе­ния механических свойств, т.е. значения напряжений или деформа­ций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Деформациейназывается изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Эти силы могут быть каквнешними, при­ложенными к телу, так ивнутренними, возникающими в самом теле под действием изменения объема отдельных кристаллитов при фазовых превращениях, температурного градиента и др. Возникающие при этом напряжения в случае одноосного растяжения имеют следующий вид: =P/F(МН/м²). Сила Р, приложенная к некоторой площадкеF, обычно не пер­пендикулярна к ней, а направлена под некоторым углом, поэтому в теле возникаютнормальные и касательные напряжения.Нормальные напряжения подразделяют на растягивающие (положительные) и сжима­ющие (отрицательные).

Внутренние напряжениянаиболее часто возникают в процессе быстрого нагрева или охлаждения металла вследствие неоднородного расширения (сжатия) поверхностных и внутренних слоев. Эти напря­жения называюттепловыми.Кроме того, существуют еще так называе­мыефазовые или структурныенапряжения, возникающие при кристал­лизации, термической обработке вследствие неоднородного протека­ния структурных превращений по объему и т.д. При небольших напряжениях деформация сопровождается незначи­тельными смещениями атомов со своих мест равновесия. При устране­нии напряжений эти смещения

исчезают, так как атомы возвращаются в свои положения равновесия. В этом случае деформацию называют упругой.При напряжениях, превосходящих предел упругости металла, на­ряду с упругой деформацией возникаетпластическая (остаточная) деформация, являющаяся следствием значительных смещений атомов. Чаще всего эти смещения аналогичны скольжению-сдвигу. Атомы нахо­дят новые положения равновесия и при устранении напряжений в ис­ходное положение не возвращаются. Скольжение атомов при пластической деформации происходит под действием касательных напряжений и по вполне определенным плос­костям пространственной решетки, называемымплоскостями скольже­ния.Такими плоскостями являются плоскости, наиболее плотно укомплектованные атомами. Механизм скольжения при пластической деформации наиболее полно объясняется теорией дислокации. Эта теория предполагает, что смещение атомов происходит не путем одновременного перемеще­ния всех атомов, находящихся в плоскости скольжения, а путем пе­ремещения ряда предварительно смещенных атомов, т.е. линейного де­фекта кристаллической решетки - дислокации. Дислокация, перемещаясь в плоскости скольжения, вызывает последовательное - эстафетное - смещение всех атомов, находящихся в плоскости скольжения.

Структурное состояние пластически деформированного металла термодинамически неустойчиво, хотя при комнатной температуре для большинства металлов может сохраняться весьма долго. При нагреве пластически деформированный металл постепенно восстанавливает свою структуру и переходит снова в устойчивое состояние. Этот переход можно разбить на несколько стадий: возв­рат, рекристаллизацию обработки и собирательную рекристаллизацию.

Возврат (или отдых, отпуск)происходит при невысоком нагреве и уст­раняет упругие напряжения. Частично восстанавливаются кристалли­ческая решетка и свойства металла.

Рекристаллизация обработкиилипервичная рекристаллизация происходит при нагреве металла выше температуры рекристаллизации, определяемой по формуле: Т_р ⁼Т_пл,

где Т_ри Т_пл-температура соответственно рекристаллизации и плав­ления; = 0,4 - для технически чистых металлов и 0,5-0,6 - для сплавов (твердых растворов). Процесс рекристаллизации аналогичен процессу кристаллизации: возникают центры кристаллизации, на которые наслаиваются атомные слои с неискаженной кристаллической решеткой. Микроструктура заме­няется новыми зернами, в большинстве случаев отличающимися по ве­личине от зерен исходного недеформированного металла.

Собирательная рекристаллизацияпредставляет собой процесс дальнейшего роста зерен. Крупные зерна растут, поглощая мелкие, что приводит к уменьшению свободной энергии и делает структуру термодинамически более устойчивой.

Размер зерна рекристаллизованного металла зависит от темпе­ратуры нагрева и степени деформации. С повышением температуры ускоряются диффузионные процессы, что вызывает рост зерна. При очень малых степенях деформации нагрев не вызывает рек­ристаллизации. При 3-15%-ной деформации величина зерна после от­жига резко возрастает и может во много раз превысить размер ис­ходного зерна. Такую степень деформации называют критической. Нагрев после критической степени деформации вызывает только быст­рый рост исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения других.

Основным видом испытаний для определения прочности и плас­тичности материалов являетсяиспытание на одноосное растяжение. Для испытания на растяжение применяют стандартный образец (рис. 3.1), который перед испытанием маркируют, измеряют и разме­чают. Начальная расчетная длина образца l₀в пределах рабочей длины ограничивается неглубокими кернами.

При испытании указанный образец крепится концами в захват разрывной машины и растягивается с малой скоростью до разрушения. В ходе испытания запи­сывают так называемую кривую растяжения(рис.3.2), представляю­щую собой зависимость между прикладываемой к образцу нагрузкой Р и его абсолютным удлине­ниемl. Из ри­сунка видно, что кривая растяжения имеет 4 ха­рактерных участка, от­ражающих протекание в материале сложных физи­ческих явлений. Прямая на участке 1 свидетель­ствует, что удлинение пропорционально нагруз­ке, т.е. на этом участ­ке сохраняет силу закон пропорциональности (за­кон Гука). После снятия нагрузки деформация растяжения исчезнет, атомы в решетке займут свое первоначальное положение. Напряжение, при котором нарушается пропорциональность между усилием и удлинением, называетсяпределом пропорциональности, определяемым по формуле

_пц = Р_пц /f_o (1)

где f_o - площадь поперечного сечения образца.

Детали машин рассчитывают так, чтобы возникающие в них при эксплуатации рабочие напряжения (_р) не превышали предела пропор­циональности (упругости). Обычно (_р) < 0,6 *_пц.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению остаточ­ного удлинения (участок 11), не исчезающего после снятия нагрузки. В этот момент длина образца увеличивается без увеличения наг­рузки вследствие пластической деформации, перемещения одной части зерна относительно другой по кристаллографическим плоскостям скольжения. Материал как бы течет, а нагрузка Р_тсоответствуетпределу текучести -минимальному напряжению, при котором образец получает остаточное удлинение без заметного увеличения нагрузки, т.е.

_т- Р_т/f_o (2)

Большинство металлов не имеет явно выраженной площадки теку­чести, тогда за предел текучести принимают условное напряжение, при котором образец получает остаточную деформацию 0,2 % первона­чальной длины образца, т.е.

_о.2= Р_о.2 /f_o (3)

При дальнейшем увеличении нагрузки металл пластически дефор­мируется и несколько упрочняется (участок III).

Временное сопротивление или предел прочности_в- это напря­жение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, т.е.

_в= P_в/ F_o (4)

Для хрупких материалов достижение нагрузки Рв сопровождается разрушением. У пластичных материалов - до этого момента удлинение образца и сужение его первоначального сечения происходит равномерно по всей расчетной длине. Затем в месте наименьшего сопротивления образу­ется сужение поперечного сечения (шейка): при этом нагрузка уменьшается до Р_ки образец разрушается. Предел прочности для пластичных металлов по формуле(4) меньше истинного сопротивления разрыву, так как фактически пло­щадь сечения к концу растяжения образца меньшеF_o.

Для определения характеристик пластичности складывают по по­верхности разрушения половинки разорванного образца и замеряют штангенциркулем расстояние между следами керна l_ки диаметр шейки около поверхности разрушения d_к. Таким образом, подотносительным

удлинениемиотносительным сужениемпонимают соответствующие отношения абсолютного удлинения и сужения образца после разрыва к их начальным расчетным значениям, выраженным в %, т.е.

где l_oи l_к- начальная и конечная расчетная длина образца, мм,

f_k - площадь сечения шейки, мм²; F_o- начальная площадь сечения образца, мм². Относительное удлинение можно определить также по диаграм­ме растяжения (рис. 3.2). С этой целью из точки Д проводится до пересечения с осью абсцисс прямая, параллельная отрезку ОС. Полу­ченный отрезок соответствуетl_пласт, равное абсолютному удлине­нию расчетной части образца после разрушения в мм.

Рассмотренные характеристики прочности и пластичности явля­ются исключительно важными для всех материалов, так как на осно­вании этих показателей устанавливаются области использования ста­лей, чугунов, латуней и других материалов для изготовления или восстановления деталей судовых машин и механизмов, воспринимающих и передающих силовые нагрузки. Однако во многих случаях эти свойства не характеризуют прочность материалов в условиях эксплу­атации деталей. Их можно использовать только для ограниченного количества простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к комнатной. Для большинства же изделий и конструкций, особенно из высокопрочных материалов, склонных к хрупкому разрушению, необходимо использо­вать и другие критерии оценки так называемой конструктивной проч­ности. В определенной степени это компенсируется учетом склоннос­ти металла к хрупкому разрушению, определяемому при динамических испытаниях на ударный изгиб и получением соответствующей характе­ристики материала, называемой ударной вязкостью.

Ударная вязкость,а_н, как прочность при ударных нагрузках. определяется путем разрушения стандартного образца ударом массив­ного маятника и представляет собой отношение затраченной на излом образца работы А_н, Дж, к площади поперечного сечения образцаF, м², в месте излома, т.е.

а_н= А_н/ F (7)

Более подробно о конструктивной прочности см. в [рекомендованной литературе и по ссылке http://krivoshchekov.at.ua].

Твердость- это свойство материала сопротивляться проникно­вению в него другого более твердого тела определенной формы и размеров. Методика определения твердости весьма проста и может осу­ществляться непосредственно на готовой детали без ее разрушения. В большинстве случаев при определении твердости производят вдав­ливание в испытуемый материалиндентора,изготовленного из значи­тельно более твердого материала, чем испытуемый. При вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материа­ла под индентором. Чем больше сопротивление материала пластичес­кой деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость. Таким образом, твердость при испытаниях методами вдавливания характеризует сопротивление металла пластическим де­формациям, т.е. по существу определяются те же механические свойства материала, которые определяются при испытаниях на растя­жение, но в новых условиях напряженного состояния. Наиболее широко применяются следующие методы определения твердости:Бринелля, Роквелла и Польди.

Твердость по БринеллюНВ (Па) рассчитывают как отношение ве­личины нагрузки Р (Н) к площадиF(м²) поверхности полученного на образце отпечатка, представляющего собой шаровой сегмент. Опреде­ление площади шарового сегмента производят по формуле

(8)

где D - диаметр индентора, м; d- диаметр отпечатка, м.

Тогда окончательная формула для расчета твердости по методу Бринелля будет иметь следующий вид:

(9)

Рассмотренный метод является наиболее точным, однако исполь­зование в качестве индентора стального закаленного шарика невоз­можно для материалов с твердостью более НВ4500 из-за начинающейся деформации самого индентора. Кроме этого, отпечаток на детали по­лучается достаточно больших размеров, что может привести в негодность ее рабочую поверхность.

Выбордиаметра шарика и нагрузки в зависимости от твердости и толщины испытуемого образца регламентируется ГОСТом и произво­дится по соответствующим таблицам.

По методу Роквелла,твердость определяется по глубине проник­новения вдавливаемого стального шарика1,588 мм при нагрузке 1000 Н (шкала В) иди алмазного конуса с углом у вершины 120^опри нагрузке 600 и 1500 Н (шкалы А и С). При испытании сначала прик­ладывают предварительную нагрузку Р_о, равную 100 Н, а затем ука­занную, в зависимости от выбранной шкалы. Разность глубин проник­новения шарика или алмаза под нагрузками Р_ои Р характеризует твердость. Чем меньше эта разность, тем тверже испытуемый матери­ал и наоборот, чем больше эта разность, тем мягче материал. Зна­чение твердости (HR) определяется по следующим формулам.

При измерении по шкалам А и С:

HR= 100 - е. (10)

а при измерении по шкале В:

HR = 130 - е, (11)

где е - величина, определяемая по формуле е = (h-ho)/0,002;

h,ho- глубина внедрения индентора в испытуемый материал под действием нагрузок Р и Р_осоответственно; 0,002 - величина, принятая за единицу твердости и соответс­твующая осевому перемещению индентора на 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу обозначается HRA,HRBилиHRCсоот­ветственно по шкалам А, В и С. Метод Роквелла менее точен в сравнении с методом Бринелля. Однако, наряду с более широким диапазоном измерения твердости испытуемых материалов, он позволяет избегать вычислений, получать малые от­печатки на рабочих поверхностях, измерять твердость поверхностных слоев деталей после химико-термической обработки, а также твер­дость мелких деталей. Для выбора индентора и нагрузки в зависимости от характерис­тики испытуемого материала рекомендуется использовать табличные данные.

По методу Польдииспользуется та же схема определения твер­дости, что и по методу Бринелля - вдавливание стального закаленно­го шарика. Поэтому ему присущи практически те же ограничения по твердости. Принципиальным же отличием является ударное приложение нагрузки одновременно к детали и эталону, что позволяет исключить ее из рассмотрения и сопоставить значения твердостей с учетом лишь диаметров получаемых отпечатков.

Эталон представляет собой прямоугольный, обычно стальной брусок, у которого заранее в лаборатории судоремонтного завода определена и нанесена на торец твердость по методу Бринелля. Его вставляют в корпус приспособления и зажимают бойком так, чтобы над шариком не оказался отпечаток от ранее проведенных испытаний. Затем, установив приспособление на зачищенное напильником или наж­дачной бумагой место детали, наносят по бойку сильный удар молот­ком массой 5-10 Н. После этого вынимают эталон и измеряют на нем и детали диаметры отпечатков. Значение твердости детали вычисляют по формуле

НВ_дет= НВ_эт(d_эт/ d_дет)² , (12)

где НВ_эт- твердость по Бринеллю материала эталона; d_эт- диаметр отпечатка на эталоне, мм; d_дет- диаметр отпечатка на детали, мм.

Важным преимуществом метода Польди является возможность при­менения его для определения твердости крупных деталей непосредственно на судне или в цехе завода. Это в значительной мере ком­пенсирует сравнительно небольшую точность получаемых при испыта­ниях результатов.

Кроме рассмотренных методов существует метод определения твердости до Виккерсу и микротвердость.Первый используют для оп­ределения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, а второй - для определения микротвердости мелких деталей и отдельных структурных составляющих сплавов. В обоих случаях твер­дость (Н_*) определяется по формуле:

Н_*= 1,8544P/d², (13)

где Р - нагрузка, Н; d- диагональ отпечатка, мкм.

Механические свойства неметаллических материаловимеют свои особенности, зависящие от их структуры, физического состояния, температуры и т.д. Вследствие высокой молекулярной массы они не способны при нагревании образовывать низковязкие жидкости, а некоторые, обладающие термостабильной пространственной структурой, даже размягчаться.

Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Стеклообразное состояние -твердое, аморфное (атомы совершают колебательное движение около положения равновесия, движе­ния звеньев и перемещения макромолекул не происходит).Высокоэластчное состояниеприсуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым измен­ениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и мак­ромолекулы приобретает способность изгибаться).Вязкотекучее состояниенапоминает жидкое состояние, но отли­чается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолеку­ла). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимерным материалам присуще как высокая долговечностьи стойкость к внешним воздействиям, так истарение -необратимое самопроизвольное изменение важнейших технических характеристик, проис­ходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале в процессе эксплуатации и хранения. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и дру­гие немеханические факторы.