Лекция №14

III. Конструкционные материалы

Конструкционные материалы – это твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому нагружению.

Конструкционные материалы можно разбить на следующие типы:

1. Металлы и сплавы (стали, чугуны, цветные металлы и т.д.)

2. Неметаллические материалы (полимеры, пластмассы, древесные материалы, резины и т.д.)

3. Композиционные материалы. Это материалы, объединенные разными способами в монолит и сохраняющие при этом индивидуальные особенности.

Прообразом современных композиционных материалов считается железобетон.

Несмотря на достигнутые успехи в создании и использовании неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.) основными конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться металлы и сплавы.

3.1. Основы строения и свойств металлов Кристаллическое строение металлов

Металлы являются телами кристаллическими. Кристаллическая решетка – регулярное расположение в кристаллах частиц (атомов, ионов), характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях.

Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка, контур которой представляет геометрическое тело, например куб или шестигранную призму.

Ещё в 1890 – 1891 гг. русский минералог Е. С. Федоров систематизировал все известные кристаллы и выделил 230 пространственных групп.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов, наиболее типичными из которых являются:

– объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

– гранецентрированная кубическая (ГЦК);

– гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

В объемно-центрированной кубической решетке восемь атомов располагаются в вершине куба и один – в центре куба (на пересечении диагоналей). Характерным линейным размером этой решетки является расстояние а между двумя атомами, расположенными вдоль одного ребра. Этот линейный размер называется параметром решетки. Значение параметра решетки а для различных металлов от 0,2 до 0,7 нм (1 нм = 10^-9 м). ОЦК решетку имеют железо (при низких температурах), ванадий, вольфрам, молибден, хром и другие металлы.

В гранецентрированной кубической решетке атомы расположены в вершинах куба и в центрах шести граней (в центре куба атома нет). ГЦК решетку имеют алюминий, медь, никель, свинец, серебро и другие металлы.

Гексагональная плотноупакованная решетка представляет собой шестигранную призму, в основании которой расположены правильные шестиугольники. Атомы расположены в вершинах и центрах этих шестиугольников. Еще три атома расположены в вершинах правильного треугольника, находящегося посредине между основаниями. Для ГПУ решетки характерны параметры а и с. ГПУ решетку имеют магний, цинк, титан, цирконий и другие металлы.

Способность металла изменять тип своей кристаллической решетки в зависимости от температуры называется аллотропией или полиморфизмом, а переходы от одного кристаллического строения к другому называется аллотропическими или полиморфными.

Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки. Так железо до температуры 911 °С имеет ОЦК решетку, а при превышении этой температуры перестраивается в ГЦК решетку, которая сохраняется до температуры

1 392 °С. После чего решетка вновь перестраивается и приобретает ОЦК строение, сохраняя его плоть до температуры плавления 1 539 °С.

В кристаллической решетке по различным направлениям находится разное число атомов. Из-за различной плотности расположения атомов в разных плоскостях некоторые свойства кристалла зависят от направления. Зависимость свойств от направления в кристалле называется анизотропией. Если свойства тела не зависят от направления, то такие тела называют изотропными.

Основные свойства материалов и методы их определения

Свойства материалов можно разбить на следующие основные группы:

1) механические;

2) тепловые (температурные);

3) химические (сопротивление металлов коррозии);

4) технологические;

5) электрические и магнитные.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства: прочность, твердость, выносливость и др. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. Многообразие условий службы материалов обуславливает проведение большого числа механических испытаний

Испытание на растяжение. Этот вид испытаний относится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде. Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в зажимы испытательной машины. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка (P) – абсолютное удлинение образца ( ). По диаграмме растяжения определяют следующие характеристики механических свойств металла.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_о (σ = P/F_о).

Предел пропорциональности (σ_пц) – это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями (в качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении σ_пц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком).

Предел текучести (σ_т) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Предел прочности (временное сопротивление, σ_B) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Под ее действием материал деформируется. В качестве основного показателя пластичности обычно принимают относительное остаточное удлинение δ, равное остаточному удлинению

к первоначальной длине образца .

Испытание на твердость. Это самый простой вид механических испытаний.

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность. Под индентором понимается твердосплавный наконечник (в виде шара, пирамиды или конуса), твердость которого существенно превосходит твердость испытуемого материала.

Наибольшее распространение получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки P и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю (HB) определяется как отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка M. Твердость по Бринеллю обозначается символом HB с указанием числа твердости. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 HB.

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине α = 136º. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV определяется как отношение нагрузки P к площади пирамидального отпечатка M. Твердость по Виккерсу обозначается символом HV, при этом размерность не ставится (кгс/мм²).

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.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120º при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR и выражается в условных безразмерных единицах.

Испытание на усталость. Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении. Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушений, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

Схема испытаний на усталость следующая. Циклическое напряжение осуществляется подвешенным на подшипнике неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца. В результате у образца верхняя поверхность работает на растяжении (σmax), а нижняя – на сжатии (σmin). За один оборот образца каждая поверхность проходит полный цикл напряжения, от максимального до минимального.

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламентирована ГОСТ 25.502-79. В результате таких испытаний снимают кривую (диаграмму) усталости – это зависимость между максимальным приложенным напряжением и числом циклов. Обычно диаграммы принимают одну из форм: а) имеющих предел выносливости; б) не имеющих предела выносливости.

У части материалов кривая усталости переходит в горизонталь: у сталей это обычно наблюдается после 10⁷ циклов нагружения, для цветных металлов это значение составляет обычно 10⁸ циклов. Для этих материалов сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (σ_R), под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушение образца при любом числе циклов (физический предел выносливости).

У других материалов кривая усталости не переходит в горизонталь, а продолжает снижаться. Для таких материалов обычно задают базу испытаний (Nn) – предварительно заданная наибольшая продолжительность испытаний на усталость. Под пределом ограниченной выносливости σ_RN понимают максимальное напряжение, при котором материал может выдержать Nn циклов.