Материалы тест №2

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Физическиеосновы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Основныемеханическиесвойстваи характеристикитвердыхтел и способыихулучшения.

В твердых телах под действием приложенных сил, температуры и с течением времени проявляются следующие механические свойства:

жесткость , пластичность , прочность, твердость, вязкость, хрупкость, ползучесть, релаксационнаястойкость .

Жесткость - способность сопротивляться упругому , то есть обратимому деформированию.

Пластичность - способность пластически, то есть необратимо деформироваться без макроразрушения.

Твердость- способность сопротивляться локальному воздействию (вдавливанию, царапанию) болеетвердых тел (индентеров).

Вязкость- способность поглощать энергию засчет пластической деформации.

Хрупкость - склонность к разрушению беззначительной пластической деформации, чаще всего в результатераспространения трещин.

Прочность - способность сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению.

Ползучесть- склонность к увеличению пластической деформации во времени при постоянных условиях - температуре и нагрузке.

Релаксационнаястойкость - способность сохранять упругодеформированное состояние во времени, с чем связанопостоянство размерови формы изделий.

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Жесткость

Жесткость - способность материала сопротивляться упругому , то есть обратимому деформированию.

Количественной характеристикой жесткости при растяжении или сжатии твердого тела произвольных размеровявляетсякоэффициент жесткости k в законеГука (рис):

F = k · L ,

где F - сила, приложенная к стержню длиной L 0 и площадью S 0 , L - абсолютная упругая деформация образца, при этом k = f (L 0 , S 0 ).

Для оценки жесткости материала, не зависящей от геометрических параметров образцов, принимается жесткость образцаединичной площади и единичной длины, закоторый можно принять куб с ребром единичной длины.

Тогда закон Гука можно записать как

F / S 0 = (k · L 0 /S 0 ) · L / L 0 ,

где сила, действующая перпендикулярно на единичную площадь соответствует нормальному напряжению σ = F /S 0 , а величина L /L 0 равнаабсолютной деформации, приходящейся на

единицу длины или относительной деформации ε = L /L 0 . Тогда величина (k · L 0 /S 0 ) коэффициент жесткости материала, известный как модуль нормальной упругости E :

E = k · L 0 /S 0 .

Закон Гука в этом случае имеет вид

σ = E · ε

Кроме модуля нормальной упругости E , отвечающего заодноосное растяжение и сжатие, для описания жесткости материалов в условиях сдвига и кручения используют модуль сдвига G , равный:

G = τ / γ ,

где τ = F /S - напряжение сдвига, соответствующее силе F , приложенной вдоль площади S и приходящейся на единицу площади, γ = L /L - относительный сдвиг или угол сдвига.

Так как для некоторых применений, например в авиационно-космической технике, конструкции должны быть не только жесткими, но и легкими, то в качестве критерия введено понятие удельного модуля упругости E / r g, где r - плотность материала (табл.).

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Влияниеразличныхфакторовна величинумодуляупругости

Зависимость величины E материала от внутренних факторов в первом приближении может быть представленакак

E= (K · α /R 0 )

α- константа межатомного взаимодействия, соответствующая жесткости межатомной связи в данном направлении,

R 0 - размер атома, соответствующий расстоянию между ближайшими соседними атомами, K - структурный коэффициент, пропорциональный плотности упаковки атомов.

Из данного соотношения следует вывод: чем больше жесткость межатомной связи, меньше размер атомов и плотнее их упаковка, тем выше модуль E кристаллов.

Наибольшую жесткость проявляют кристаллы с ковалентной связью: (C , SiC ), ионные (BeO , Al 2O 3) с

большим зарядом ионов и некоторой долей ковалентной связи, металлические тугоплавкие (W , Os, Ru , Mo , Ta) и с малыми размерами атома (Be). Ионные кристаллы NaCl , LiF , несмотря на высокое значениеэнергии связи, соизмеримое и даже большее, чем у алмаза, проявляют сравнительно малую жесткость, так как почти полностью отсутствует ковалентнаякомпонента связи.

Жесткость ведет себя как анизотропная характеристика кристалла, так как в разных направлениях в кристаллической решетке различны плотность упаковки и жесткость связи. Изотропность , проявляемая поликристаллами, обусловлена хаотичностью ориентации отдельных кристаллитов (зерен).

За счет появления дефектоввозможно как небольшое снижение, так и увеличение жесткости материалов, поэтому жесткость считается свойством мало зависящим от структуры (малоструктурночувствительным свойством).

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Термоупругий эффект(память формы)

В некоторых сплавах, в частности, в системе Ni -Ti , наблюдается эффект памяти формы - восстановление первоначально заданнойформы тела, измененной пластической деформацией. Память формы реализуетсяпри нагреведеформированного тела (термоупругий эффект).

Один из механизмов этого явления заключается в том, что если пластическая деформация в материале осуществляется только засчет двойникования, то при нагревевозможно энергетически оправданное обратное двойникование, что и обеспечиваетвосстановление первоначальной формы тела. При этом внутреннее усилие, возвращающеетело в исходную форму, в несколько разбольше внешнего усилия, вызвавшего пластическую деформацию. Возможное появление дислокаций делает деформацию частично необратимой и ухудшает эффект памяти формы, вызывая дополнительные затраты энергии.

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Примеры материаловс высокой жесткостью

1.Алмаз – E ~900 ГПа ,

2.Нитевидные кристаллы C – E ~700 ГПа , SiC – E ~580 ГПа , Al 2 O 3 - 500 ГПа ,

3.Бериллий – 300 ГПа .

Конструкционная жесткость

В процессе конструирования изделий производится расчет деталей на жесткость. В результате выявляетсятакаяхарактеристика жесткости, как величина максимальной допустимой упругой

При этом:

L P = (L ·P P / S ·E ),

где L – длина детали; S – площадь поперечного сечения детали; E – модуль нормальной упругости материала.

Выполнение неравенства L P < [ L ] при заданных L и P P зависит от S и E . В таком случае высокой жесткости детали можно добиться засчет:

увеличения S, что чаще всего не оправдано, так как это приводит к росту массы детали и ее габаритов;

выбора материалов с высоким E .

С точки зрения конструирования деталей для повышения жесткости изделия следует придерживаться следующих рекомендаций:

замены изгиба растяжением-сжатием,

увеличение моментов инерции сечения,

рациональное расположение опор валов,

усиление участков приложения сосредоточенных сил,

увеличение жесткости тонкостенных конструкций засчет использования рельефов, отсеков, поперечных связейи т.п.

Материалы, применяемыедля изготовленияупругих элементов

1.термообработанные на троостит стали (0,6 – 1,2 %)C , часто подвергаемые в процессе термообработки дополнительной пластической деформации,

2.немагнитные сплавы типа 36НХТЮ (36%Ni , 12%Cr, 3%Ti , 1%Al ), упрочняемые термической обработкой (закалкаи старение),

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Пластичность

Пластичность – способность материала пластически, то есть необратимо деформироваться без разрушения. Пластичность необходима для получения заготовок и готовых деталей методами холодной и горячей обработки давлением и для предотвращения опасности хрупкого разрушения, которое возникает в отсутствие пластической деформации.

Пластическая деформация реальных кристаллов при температурах до 0,3Тпл осуществляется в основном засчет движения дислокаций, поэтому высокая пластичность возможна только в металлических и молекулярных кристаллах, так как в них, в отличие от ковалентных, легко зарождаются и скользят дислокации.

Наряду с этим в металлах при очень низких температурах или очень высоких скоростях деформирования может иметь место механизм деформации двойникованием. При температурах больше 0,3Тпл для дислокаций увеличиваетсявозможность преодоления препятствий с помощью теплового движения (термических флуктуаций) и начинает проявляться пластичность, обусловленная повышением диффузионной подвижности вакансий.

Количественными характеристиками пластичности служат максимальное относительное пластическое растяжение δ и максимальное относительное сужение y образцапри разрыве, полученные из испытаний на растяжение (см. Прочность ), а также данные, полученные из технологических проб способом сжатия или изгиба. Для конструкционных материалов удовлетворительной считается пластичность δ > 10-15%. Материалы высокой технологической пластичности, используемые для получения деталей методом холодной пластической деформации, имеют δ > 40%.

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Основные способыповышения пластичности

Максимальная пластичность используется в целях формоизменения при холодной и горячей обработке давлением.

Для обеспечения максимальной пластичности необходимо, чтобы условия пластической деформации в материале отвечали следующим требованиям:

1.Дислокации должны иметь как можно больше (не меньше пяти) направлений и плоскостей легкого скольжения (систем скольжения), при которых в материале появляется возможность возникновения множественного скольжения, что обеспечиваетодновременность и однородность пластической деформации во всем объеме материала, а также передачу пластической деформации от зернак зерну безнарушения сплошности материала. В случае металлов это возможно для ГЦК и ОЦК решетки. Для технически значимых металлов с ГПУ решеткой наилучшую пластичность проявляет Ti .

2.Плотность подвижных дислокаций должна быть оптимальной (~106 см-2 ), так как при меньшей плотности мало дислокаций участвует в деформации, а при большей взаимодействие дислокаций вызывает их закреплениеи образованиебольших полей растягивающих упругих напряжений, приводящих к разрывам. Здесь следует учитывать размножение дислокаций в процессе холодной пластической деформации, что усиливает их взаимное торможение и соответственно уменьшает пластичность. Поэтому для восстановления пластичности дислокации должны иметь возможность взаимного уничтожения, уменьшающего их плотность. Этот процесс активизируется при температурах существенно больше 0,4 Тпл, в условиях специального нагреварекристаллизационного отжига, не только понижающего плотность дислокаций, но и восстанавливающего равноосную зернистую структуру. В результатедеформирования при температуре рекристаллизационного отжига (горячая обработка давлением) плотность дислокаций остается оптимальной для обеспечения высокой пластичности.

3.На пути дислокаций должно быть возможно меньше препятствий в вид атомов примесей (особенно атомов внедрения) и твердых частиц, а обход препятствий должен осуществляться засчет легкого переходав другую плоскость скольжения, что реализуется, если дислокации имеют малое расщепление.

4.Дислокации не должны образовывать больших плоских скоплений около границы зерен, вызывающих концентрацию напряжений, что обеспечиваетсянебольшим размером зерени отсутствием разнозернистости.

5.На границах и внутри зерендолжны отсутствовать протяженные прослойки, богатые элементами, вызывающими охрупчивание.

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Материалы высокой технологическойпластичности

К материалам, обеспечивающим наиболее высокую пластичность в холодном состоянии (<0,3 Tпл) относятся:

малоуглеродистая сталь марки 08Ю (0,07% C , 0,05 % Al ) с равнозеренной структурой 7-го баллазернистости (размер зерна~ 30 мкм), содержащие не более0,045 % серы и фосфора, легированная алюминием для раскисления и связыванияостаточного азотав нитридах (45% деформации до разрыва)

однофазнаялатунь Л68, Л72 – сплав меди и цинка при содержании цинка 32, 28% (80% деформации до разрыва)

однофазнаябронза БрОФ 6,5 - 0,4 – сплав на основе меди при содержании олова 6,5% и фосфора0,4% (65% деформации до разрыва)

однофазнаябронза БрА 5 – сплав на основе меди при содержании алюминия 5% (65% деформации до разрыва)

чистый титан (50-70% деформации до разрыва).

При наличии сверхмелкозернистой структуры может реализоватьсядеформация безупрочнения до

103 % (сверхпластичность) засчет диффузии и скольжения дислокаций вдоль границ зерен. При этом важно сохранить ультрамалый размер зерен(~1мкм), так как температура деформирования около 0,5Tпл способствует их укрупнению . К сплавам такого типа относится сплав Zn c 22% Al , имеющий устойчивую двухфазную структуру твердых растворов, где присутствие часто расположенных мелких частиц тормозит процесс укрупнения зерен.

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Основные способыповышения вязкости

Для металлических материалов факторами, способствующими охрупчиванию, являются:

I.характернаядля ОЦК - металлов малая растворимость примесей внедрения, скапливающихся на дислокациях (t50 для ОЦК - металлов технической чистоты: Fe – 0°С, Cr – 370°C , W – 330°C ),

II.присутствие охрупчивающих примесей и химических соединений, сосредоточенных, как правило, на дислокациях и по границами зерен,

III.крупнозернистость структуры, вызывающая увеличение концентрации охрупчивающих примесей и включений на границах зерен, сокращающая путь трещин вдоль границ, способствующая образованию больших плоских скоплений дислокаций и т.д.,

IV . высокая плотность дислокаций (1012 см-2 ), при которой практически отсутствуют подвижные дислокации,

V . понижение температуры и увеличение скорости деформирования, уменьшающие подвижность атомов примесей и дислокаций;

VI . наличие опасных концентраторов напряжений;

VII . увеличение размеровдеталей(масштабный фактор), повышающее вероятность присутствия опасного концентратора напряжений и величину запасенной энергии разрушения;

Повышению вязкости конструкционных материалов способствует:

1.обеспечениедостаточной подвижности дислокаций,

2.очищение от охрупчивающих примесей,

3.повышение однородности и дисперсности (измельченности) микроструктуры (уменьшение среднего размеразерени упрочняющих фазпри минимальном разбросеразмеров),

4.уменьшение концентрации примесей внедрения, особенно, в случае ОЦК решетки,

5.легирование элементами, повышающими вязкость,

6.избегание концентраторов напряжений (надрезов, включений с острыми краями, очагов коррозии, резких изменений жесткости детали)

7.использование материалов с ГЦК решеткой, для которой отсутствует порог хладоломкости, потому что растворимость примесных атомов внедрения в ГЦК решетке существенно выше, чем в ОЦК , вследствие чего при прочих равных условиях они являются более трещиностойкими .

Всталях для повышения вязкости и понижения температуры вязко-хрупкого перехода

(хпадостойкости):

a.используют высокодисперсную ферритно-цементитную структуру,

b.уменьшают концентрацию охрупчивающих примесей: серы, образующей хрупкие непрочные сульфиды по границам зерен, фосфора, скапливающегося вблизи границ зерен, кислорода, азота, водорода в составе оксидов, нитридов, метана или атомарно закрепляющих дислокации,

c.легируют, в первую очередь, никелем, понижающим t50 на 60°С при введении 1% никеля, так как его присутствие уменьшает связь примесей внедрения с дислокациями,

d.используют аустенитные стали, имеющие ГЦК -решетку при температурах эксплуатации.

Втитановых сплавахохрупчивающими примесями являются примеси внедрения: водород, образующий гидриды, углерод из-завыделения карбида TiC , кислород, азот, закрепляющие

Физические основы оптимизации структуры и свойств конструкционных и инструментальных материалов

Жесткость

Влияние различных факторов на величину модуля упругости Термоупругий эффект

Конструкционная жесткость Пластичность

Основные способы повышения пластичности Материалы высокой пластичности Хрупкость и вязкость

Основные способы повышения вязкости Надежность Прочность

Основные способы повышения прочности Определение

прочностных

свойств Статическая

прочность Циклическая прочность Твердость

Износостойкость

Ползучесть и релаксационная стойкость Релаксационная стойкость

Жаропрочность

Сопротивляемость коррозионному разрушению Радиационная стойкость

Пути повышения эксплуатационных свойств

Основы термической обработки

Отжиг

Закалка

Отпуск

Старение Термомеханическая обработка Химикотермическая обработка

Список страниц Список кадров

[Like: 4]

Эксплуатационная надежность

Надежность – способность материала сопротивляться внезапному разрушению, возникающему, как правило, засчет быстрого развития трещин. Такие разрушения в процессе эксплуатации чаще всего возникают при ударных нагрузках и низких температурах. Это особенно актуально для высокопрочных материалов, имеющих недостаточную пластичность.

Считается, что материал находится в хрупком состоянии, если значениеKCU < 0,2 МДж /м2 (20 Дж/ см2).

Величина K 1C используется при расчетедопустимой длины трещины или рабочих напряжений для упрочненных конструкционных материалов: алюминиевых сплавов, если σE > 450 МПа , титановых сплавов, если σE > 800 МПа , сталей, если σE > 1200 МПа (см. Прочность ).

Алюминиевые , медные, никелевые и аустенитные сплавы, имеющие ГЦК решетку, могут эксплуатироваться до температур -196 ÷ -269°C . Особое положение занимают титановые сплавы с ГПУ решеткой, эксплуатируемые до температуры -253°C , пластичность которых объясняется невысоким напряжением двойникования титана. Стали с ОЦК решеткой углеродистые обыкновенного качества надежно работают только до -20°C , качественные до -30°C , содержащие 6% Ni до -100°C .

Примеры материаловвысокой надежностии хладостойкости

1.Аустенитная сталь 12Х 18Н10Т после закалки, переводящей примеси в твердый раствор.

2.Сталь 0Н9 после закалки и высокого отпуска, формирующей структуру мелкозернистого феррита.

3.Титановый сплав ВТ 5-1 после отжига с однофазной структурой α-Ti , где присутствующие олово уменьшают охрупчивающее действие основного легирующего элемента ? алюминия.