Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Материаловедение / Лекции 1-17 все.DOC
Скачиваний:
436
Добавлен:
08.03.2015
Размер:
2.73 Mб
Скачать

72

ВВЕДЕНИЕ

Получение материалов с заданным комплексом свойств, технологии обработки материалов являются основой современного производства, и уровнем своего развития во многом определяют научно-технический и экономический потенциал страны. Никакие эффективные экономические или управленческие решения в любых масштабах, начиная от цеха и заканчивая отраслью, невозможны без знания основ материаловедения. Именно поэтому дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» включена в учебные планы всех специальностей, которые связаны с техникой и промышленностью.

Процесс создания новых машин и конструкций обычно состоит из трех крупных этапов: 1) разработка конструкции от принципиальной схемы до деталировки; 2) выбор материалов; 3) разработка технологии изготовления деталей, и всей машины в целом. В настоящее время разработка принципиально новых материалов производится редко и, в основном, для авиационно-космической техники. Как правило, поступают иначе: выбирают материал из числа уже существующих. Выбор основывают на комплексе свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкции в заданных условиях эксплуатации. Важный этап выбора материала – оценка его стоимости и дефицитности. Материал должен быть по возможности дешевым с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость технологии изготовления из него деталей.

В настоящем учебном пособии рассмотрены физико-химические основы строения и свойств конструкционных металлических и неметаллических материалов, приводятся методы определения механических свойств материалов, излагаются основы термической обработки и поверхностного упрочнения деталей, и также представлены все основные технологические процессы. Особое внимание следует обратить на техническую терминологию (названия материалов и процессов) и инженерное или научное содержание этих терминов, т.к. вся техническая документация на производстве, начиная от технологических карт в цехе и заканчивая бизнес-планом всего предприятия, содержит множество технических терминов. Не понимая их содержания невозможно построить грамотную политику в экономике и управлении предприятием.

1. Строение и свойства материалов

    1. Кристаллическое строение и свойства металлов

Основные типы кристаллических решеток. Металлы являются телами кристаллическими. Это означает, что атомы в занимаемом ими пространстве расположены строго упорядоченно. Если соединить атомы воображаемыми линиями в трех взаимно перпендикулярных направлениях, то получится пространственная кристаллическая решетка. Ее наименьшим структурным образованием является элементарная ячейка. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах 0,1 – 0,7 нм. На рис. 1.1 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объемно-центрированная кубическая–ОЦК (V, Fe, Cr), гранецентрированная кубическая – ГЦК (Ni, Al, Ag), гексагональная плотноупакованная – ГПУ (Zn, Mg, Ti).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятие координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом IК называется число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома. Решетка ОЦК менее компактна IК = 8, чем решетки ГЦК и ГПУ для них IК = 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары (рис. 1.1), то не трудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности Q. Этот коэффициент равен отношению суммарного объема атомов, входящих в элементарную ячейку, к объему всей ячейки. Для простой кубической решетки Q = 52 %, для ГЦК и ГПУ Q = 74 %. Оставшийся объем ячейки приходится на поры.

Кристаллографические направления и плоскости. В кристаллографии ряды атомов называют атомными плоскостями. Положение атомных плоскостей в кристалле определяется отрезками, отсекаемыми этими плоскостями при их пересечении с осями координат X, Y, Z. Начало координат в этом случае условно совмещают с одним из узлов кристаллической решетки. За индексы плоскостей принято брать отрезки, обратные параметрам решетки ab, c: h = 1/a, k = 1/b, l = 1/с. Эти числа заключают в круглые скобки и в общем случае называют индексами Миллера (h k l). Например: плоскость

кубической решетки пересекает только ось Y, отсекаемые отрезки равны (, 1, ), а обратные им величины соответственно – (0,1,0), индексы Миллера в этом случае имеют вид (010). Для плоскости, пересекающей оси X, Y, Z, индексы будут (111), (рис. 1.2, а,б).

Рис .1.1. Схемы кристаллических решеток ОЦК, ГЦК, ГПУ (вверху) и их изображение в виде плотноупакованных шаров (внизу)

Кристаллографические направления проходят через начало координат и узлы кристаллической решетки. Для определения индексов направлений находят координаты узла решетки на соответствующей координатной оси: например, координаты ближайшего атома вдоль оси OX выразятся через 1,0,0 – это и будут индексы Миллера для направления [100], (рис. 1.2, в).

Анизотропия в кристаллах. Свойства материалов зависят от природы атомов, силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов, поэтому их свойства в различных направлениях одинаковы. Такие материалы называют изотропными. В кристаллических материалах свойства вдоль различных кристаллографических направлений зависят от числа атомов, расположенных на соответствующих направлениях. Например, вдоль диагоналей куба ОЦК решетки [111] размещается больше атомов, чем по направлению вдоль ребер куба [100], [010], [001]. Это явление различия свойств вдоль кристаллографических направлений называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется только в пределах одного

кристаллического зерна или монокристалла. Реальные металлы являются телами поликристаллическими, состоящими из огромного числа зерен, произвольно ориентированных друг к другу своими кристаллографическими направлениями, следовательно, недостаток свойств по одному направлению компенсируется избытком этого свойства по этому же направлению в других зернах. Поэтому реальные металлы являются изотропными телами, т. е. телами с примерно одинаковыми свойствами по всем направлениям.

а) б) в)

Рис. 1.2. Индексы кристаллографических плоскостей (а,б) и направлений (в) в ОЦК решетке

Аллотропия металлов. Некоторые металлы (железо, титан, олово) способны по достижении определенных температур изменять свое кристаллическое строение, т. е. перестраивать тип элементарной ячейки. Так, ОЦК железо, будучи нагрето до 911 С, перестраивается в ГЦК железо.

Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными переходами. Разные аллотропические формы металлов обозначают буквами греческого алфавита: низкотемпературные модификации обозначают буквой , последующие в порядке роста температуры –,. Наличие полиморфизма имеет важное практическое значение, так как сохраняется и в сплавах на основе таких металлов, например,- и-фазы в титановых сплавах.

    1. Дефекты строения кристаллических материалов

Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное повторение элементарных кристаллических ячеек. Но для реального металла характерно наличие большого количества дефектов строения, нарушающих пе-

риодичность расположения атомов. Эти дефекты оказывают существенное влияние на все свойства материала. Различают три типа дефектов кристаллического строения в зависимости от их размеров: точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты (рис. 1.3, а,б) характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся:

а) свободные места в узлах кристаллической решетки – вакансии;

б) атомы других элементов, находящиеся в узлах кристаллической решетки основного элемента – примесные атомы замещения;

в) атомы элементов с малым диаметром, располагающиеся в междоузлиях решетки (в атомных порах), – это примесные атомы внедрения.

Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации, под воздействием тепловых, механических, электрических воздействий. Присутствие вакансий объясняет возможность диффузии – перемещения атомов на расстояния, превышающие средние межатомные расстояния для данного металла. Точечные дефекты приводят к локальным изменениям межатомных расстояний и, следовательно, к искажениям кристаллической решетки. При этом увеличивается сопротивление решетки дальнейшему смещению атомов, что способствует некоторому упрочнению металла. Атомы замещения создают небольшие искажения в решетке, поэтому слабо упрочняют сплав. Атомы внедрения значительно сильнее искажают решетку, резко упрочняют сплав.

а) б) в) г)

Рис .1.3. Вакансия в решетке элемента А (а), примесный атом замещения В и внедрения С (б), экстраплоскость дислокации Э (в), схема образования атмосферы Котрелла (г)

Дислокации – это линейные дефекты. Их размеры в двух измерениях – порядка атомных, а в третьем они соизмеримы с длиной кристалла. На рис. 1.3, в показан кристалл, верхняя часть которого сдвинута относительно нижней на одно межатомное расстояние. Вертикальную атомную плоскость,

которая не имеет продолжения, называют экстраплоскостью, область несовершенства кристалла вокруг края экстраплоскости – краевой дислокацией. Дислокации легко перемещаются в направлении перпендикулярном экстраплоскости. Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность металла.

Закрепление дислокаций различными барьерами приводит к повышению прочности сплава. Движению дислокаций в кристаллической решетке оказывают сопротивление примесные атомы, растворенные в ней, отдельные дислокации, скопления дислокаций. Установлено, что дислокации притягивают в свою зону атомы примесей внедрения, которые осаждаются в виде цепочки вдоль края экстраплоскости. Эта цепочка инородных атомов называется атмосферой Котрелла (рис. 1.3, г). Эти атмосферы блокируют движение дислокаций, резко повышают прочность и вызывают хрупкость сплава.

Дисперсные включения второй фазы – один из главных факторов торможения дислокаций. Механизм упрочнения показан на рис. 1.4, а.. Частицы второй фазы действуют как препятствия движению дислокаций, но дислокации не перерезают и не деформируют частицы, а под действием приложенного напряжения выгибаются между частицами и пробегают дальше, оставляя кольца дислокаций вокруг частиц, которые и упрочняют сплав. Чем меньше размер упрочняющих частиц и меньше расстояние между ними, тем выше упрочнение сплава.

а) б)

Рис. 1.4. Схема прохождения дислокации через дисперсные включения (а); теоретическая и фактическая прочность металлов (б),

Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхождение между теоретической и фактической прочностью металлов. Теоретическая прочность пропорциональна произведению сил межатомной связи на число атомов в сечении кристалла. Она в сотни или даже тысячи раз превышает фактически затрачиваемое усилие при пластической деформации. Так, теоретическая прочность железа составляет 13000 МПа, а фактическая – всего 250 МПа. Такое расхождение объясняется тем, что пластическая деформация кристалла осуществляется не одновременным разрывом всех атомных связей в плоскости скольжения, а путем постепенного перемещения дислокации. Каждый элементарный шаг перемещения дислокации из одного положения в другое совершается путем разрыва лишь одной атомной связи. В результате такого перемещения дислокация выйдет на поверхность кристалла и исчезнет, оставив ступеньку пластической деформации.

Таким образом, повышение прочности промышленных сплавов может быть достигнуто двумя путями: получением металлов с близким к идеальному строением кристаллической решетки (монокристаллы, нитевидные кристаллы-«усы»), либо, наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций (примесные атомы, дислокации) – рис. 1.4, б.

Поверхностные дефектыграницы зерен и субзерен. Границей зерна называют поверхность, по обе стороны от которой кристаллические решетки различаются пространственной ориентацией на угол более 10 – 15 – это высокоугловые границы. Субзерна принадлежат одному зерну, разориентировка кристаллических решеток субзерен не превышает 10. Такие границы называют малоугловыми. Малоугловые границы представляют собой систему дислокаций, они слабо взаимодействуют с другими дислокациями и практически не упрочняют сплав. Атомное строение высокоугловых границ более сложное, кроме того, на таких границах сосредотачиваются легкоплавкие примеси, включения интерметаллидов. Такие границы блокируют движение дислокаций и упрочняют сплав. Уникальной особенностью зернограничного упрочнения является то, что при реализации этого механизма одновременно с увеличением прочности, происходит и повышение пластичности сплава. В общем случае высокоугловые границы имеют более рыхлое строение, поэтому на границах зерен в первую очередь начинают развиваться дефекты от воздействия коррозии, повышенной температуры, переменных нагрузок.

    1. Деформация и разрушение

Во всех заготовках и деталях под действием нагрузок возникают напряжения, приводящие в свою очередь, к деформацииизменению размеров и формы тел. Напряжения  рассчитывают как отношение нагрузки P в данный момент времени к исходной площади сечения образца F0:  = P / F0.

При небольших напряжениях возникает упругая деформация, исчезающая после снятия нагрузки. При напряжениях, превышающих некоторый предел, возникает пластическая деформация, приводящая к необратимым изменениям формы и размеров тела. Эти виды деформации принципиально отличаются по своей физической природе. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов в кристаллической решетке, но сами кристаллы не разрушаются, заметных остаточных изменений в структуре и свойствах материала не происходит. При пластической деформации необратимо изменяется структура и свойства металла, т. к. происходит серия сколов по плоскостям кристаллической решетки, взаимное смещение и поворот частей кристаллов. При большой степени деформации возникает преимущественная ориентировка кристаллографических плоскостей и напряжений в металле, зерна вытягиваются до волокнистой структуры. Такая структура получила название – текстура деформации.

Величина напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации зависит, главным образом, от температуры: с повышением температуры она значительно снижается. Этот эффект широко используется в технике при обработке металлов давлением – горячая пластическая деформация является более распространенной, чем холодная.

Напряжения, возникающие при воздействии нагрузки и вызывающие упругую и пластическую деформацию, могут частично сохраняться в изделии или заготовке в виде остаточных напряжений. Значительные остаточные напряжения возникают в поверхностном слое металлических изделий при их механической обработке резанием, в отливках после окончания кристаллизации, при неравномерном нагреве заготовок во время термообработки. В ряде случаев они создают дополнительные проблемы при эксплуатации деталей, т. к. суммируются с рабочими напряжениями. В этих случаях остаточные напряжения удаляются с помощью специальной термической обработки – отжига.

Изучению механизма разрушения различных материалов и конструкций в настоящее время уделяют очень большое внимание, т. к. знание механизма разрушения позволяет более грамотно рассчитывать конструкции и определять их работоспособность. Установлено, что существуют два основных механизма разрушения – хрупкое и вязкое разрушение.

Хрупкое разрушение происходит путем скола в кристаллах по определенным плоскостям и отрыва частей кристаллов без предварительной пластической деформации. Разрушение обычно начинается от какого либо дефекта, вблизи которого возникает концентрация напряжений. Такими дефектами являются внутренние микротрещины или наружные поверхностные надрезы. В процессе сколов и отрывов формируется магистральная трещина, которая растет со скоростью, достигающей, приблизительно, 0,4 скорости звука – иначе говоря, разрушение происходит практически мгновенно. Высокая скорость возможного разрушения и отсутствие предшествующей пластической деформации делают хрупкое состояние металла крайне нежелательным при использовании для ответственных деталей и конструкций.

Хрупкий внутризеренный излом легко распознать по наличию фасеток. Фасетки – это плоские поверхности, образующиеся в результате сколов в пределах отдельных зерен – кристаллитов. Излом имеет металлический блеск. Фасетки не являются идеально гладкими. Так как скол распространяется по нескольким параллельным плоскостям скольжения, то разрыв между этими плоскостями образует ступеньку, система ступенек образует ручьистый узор (рис. 1.5, а). Если границы зерен ослаблены, то в материале развивается хрупкое межзеренное разрушение. Излом называют камневидным, фасетки в этом случае сглажены, ручьистый узор отсутствует (рис. 1.5, б).

Вязкому разрушению предшествует значительная пластическая деформация. В процессе ее образуются микропоры, которые растут, соединяются между собой и, в конечном счете, формируется магистральная трещина, приводящая к разрушению изделия. Благодаря такому механизму вязкого разрушения трещина развивается значительно медленнее, чем при хрупком разрушении.

Вязкий излом имеет ямочное строение и матовую поверхность, без металлического блеска (рис. 1.5, в). Границы зерен в строении излома не видны.

Хрупкое или вязкое разрушение происходит под действием статических или динамических (ударных) нагрузок. Но многие детали машин и элементы конструкций работают в условиях вибрационных знакопеременных нагрузок, когда цикл «сжатие–растяжение» многократно повторяется. В этом случае, на поверхности детали зарождается и начинает постепенно развиваться трещина. Рабочее сечение детали постепенно уменьшается, а затем происходит быстрое разрушение детали – долом. Этот процесс называется усталостью металлов, а излом – усталостным. Для него характерным является наличие двух зон: сглаженной зоны роста усталостной трещины и зоны долома по хрупкому или вязкому типу разрушения (рис. 1.5, г). Усталостное разрушение является

наиболее распространенным видом разрушения для ответственных деталей машин и конструкций. Инженерная практика показывает, что усталость ответственна примерно за 50 – 80 % случаев аварийных разрушений, в первую очередь в авиационной технике.

а) б) в) г)

Рис. 1.5. Хрупкий фасеточный излом (а), камневидный излом (б), вязкий ямочный излом (в), усталостный излом (г): 1– зарождение трещины; 2 – рост трещины;

3 – зона долома

Факторы, влияющие на характер излома это скорость нагружения, температура испытаний, структура материала. Чем выше скорость нагружения при испытаниях, тем выше опасность хрупкого разрушения. Понижение температуры также влечет за собой переход от вязкого к хрупкому типу разрушения, это свойство называют хладноломкостью. Температуру вязко-хрупкого перехода, при которой в изломе образца наблюдается 50 % площади излома хрупкого типа и 50 % – вязкого типа, называют порогом хладноломкости. Тип кристаллической решетки определяет многие свойства материалов, так металлы с ОЦК решеткой W, Mo, Cr, -Fe менее пластичны, чем металлы с ГЦК решеткой Cu, Al, Ni. Размер зерна металла имеет важное значение для сопротивления хрупкому разрушению: измельчение зерна существенно понижает температуру вязко-хрупкого перехода.

    1. Наклеп и рекристаллизация металлов

Наклеп. При холодной пластической деформации, которая может происходить при различных технологических операциях (ковка, штамповка, прокатка) зернистая структура металла разрушается. В отдельном микрозерне деформация начинается с образования серии сколов по кристаллографическим плоскостям, их называют плоскостями скольжения. Скол происходит не по каждой плоскости, а пачками плоскостей, на этом этапе зерно не меняет форму и размеры (рис. 1.6, а). Затем происходит сдвиг пачек плоскостей относительно друг друга – скольжение, обломки зерен вытягиваются в направлении деформации и образуют волокнистую структуру (рис. 1.6, б). Одновременно, вследствие поворотов кристаллографических плоскостей, устанавливается преимущественная ориентировка кристаллической решетки относительно действующей силы. Такая волокнистая структура называется текстура деформации.

Дробление зерен сопровождается возникновением сильных искажений кристаллического строения, размножением дислокаций и их взаимным заклиниванием. В результате твердость и прочность металла сильно повышается, а пластичность резко падает (рис. 1.6, в), это явление получило название наклеп или нагартовка металла.

Повышенный запас энергии холоднодеформированного металла делает его термодинамически неустойчивым. Поэтому при нагреве, когда возрастает подвижность атомов, в наклепанном металле происходят сложные процессы, ведущие к восстановлению прежней структуры и свойств. Для удобства описания происходящих в металле процессов, температуру нагрева принято выражать в долях температуры плавления ТПЛ.

Возврат.При нагреве до температуры равной 0,2 – 0,3 ТПЛпроисходит частичное снятие упругих искажений кристаллической решетки за счет перемещения атомов на расстояния не свыше межатомных.Твердость и прочность, при этом снижаются, приблизительно на одну треть от прочности наклепанного металла, а пластичность повышается.Это явление получило названиеотдыхиливозврат. Изменение механических свойств и структуры металла в зависимости от температуры нагрева ТОТЖизображено на рис. 1.7. Фактически возврат идет в интервале температур до ТРН, т. е. до начала процесса рекристаллизации. При возврате не отмечается каких-либо видимых изменений микро- и макроструктуры, процесс идет на дислокационном уровне (рис. 1.7 – 1).

Рекристаллизация.При дальнейшем повышении температуры и возрастании подвижности атомов развиваются процессы диффузии. В результате в деформированном металле зарождаются и растут новые недеформированные зерна. Этот процесс называетсярекристаллизация.Как установил А. А. Бочвар, температура рекристаллизации связана с абсолютной температурой плавления простым соотношением:

ТРЕКР= 0,4 ТПЛ.

Это соотношение справедливо для технически чистых металлов. Примеси и легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации сплавов до 0,45 – 0,55 ТПЛ.

а) б) в)

Рис. 1.6. Схема изменения формы зерен до (а) и после деформации (б); зависимость механических свойств стали от степени холодной деформации (в)

При рекристаллизации механические свойства полностью возвращаются к исходным, т.е. к тем, которые были до пластической деформации и наклепа (рис. 1.7): твердость и прочность резко снижается, а пластичность повышается.Процесс рекристаллизации также происходит в интервале температур от температуры начала рекристаллизации ТРНдо температуры конца рекристаллизации ТРК.

Изменение свойств при рекристаллизации обусловлено изменением структуры металла: на начальной стадии рекристаллизации в наклепанном металле с волокнистой структурой образуются мелкие недеформированные зерна (рис. 1.7 – 2). При температуре окончания рекристаллизации структура полностью состоит из мелких недеформированных зерен (рис. 1.7 – 3). Этот этап называют первичной рекристаллизацией..Затем по мере развития процесса

происходит рост зерна – укрупнение отдельных зерен за счет более мелких. Эта стадия называется собирательной рекристаллизацией(рис. 1.7 – 4).

Рис .1.7. Влияние температуры отжига на механические свойства и

микроструктуру (1 – 4) холоднодеформированного металла: 1 – возврат; 2 – начало рекристаллизации; 3 – окончание процесса первичной рекристаллизации; 4 – собирательная рекристаллизация

При температурах выше ТП= 0,6 – 0,7 ТПЛпроисходит оплавление границ зерен, это явление называютпережог. Все механические свойства металла резко снижаются, происходит хрупкое разрушение с образованием камневидного излома.

Три фактора: степень предварительной деформации, температура нагрева и длительность выдержкинаиболее сильно влияют на процесс рекристаллизации и определяют конечную величину зерна и механические свойства сплава

    1. Механические свойства материалов

Механические свойстваопределяют конструктивную прочность или работоспособность изделий в условиях внешних силовых нагрузок. Виды механических испытаний классифицируют по следующим признакам:

1) способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, циклическое нагружение);

2) скорость нагружения (статические испытания–медленное нагружение, динамические испытания–быстрое нагружение);

3) протяженность во времени (кратковременные, длительные).

При статическом нагружении изделий в условиях растяжения или сжатия определяют временное сопротивление(предел прочности)В ,,условный предел текучести0,2 ,,относительное удлинение,относительное сужениепри растяжении иотносительную деформацию укороченияпри сжатии. Методика определения механических свойств при растяжении и сжатии регламентирована ГОСТ 1497-84 и ГОСТ 25.503-80 соответственно, напряжения измеряют в МПа (мегапаскалях),,и– в %. Испытания на растяжение при повышенных температурах регламентируются ГОСТ 9651-84, при пониженных температурах – ГОСТ 11150-84.

В условиях изгибающих усилий и моментов определяют предел прочностипри изгибеипредел упругости(ГОСТ 14019-80).

В условиях динамических, ударных нагрузок проводят испытание материала на ударную вязкость (ГОСТ 9454-78). Ударная вязкостьоценивается работой разрушения образца при ударе, отнесенной к начальной площади поперечного сечения образца, МДж/м2. При испытании материалов используют образцы с концентратором (надрезом) видаUилиV, а также с предварительно наведенной трещиной глубиной2,5 мм, для обозначения этих видов ударной вязкости используют символыKCU,KCV,KСТ, соответственно.

В условиях знакопеременных нагрузок растяжение-сжатие проводят испытания на сопротивление материала усталостному разрушению: определяют предел выносливостипри симметричном цикле нагружения-1илиусталостную долговечность N(ГОСТ 25.502-79). При этом-1соответствует максимальному напряжению цикла, которое материал может выдерживать не разрушаясь при достаточно большом числе циклов нагруженияN106…108, аNсоответствует числу циклов нагружения, которое выдерживает образец до разрушения при заданном уровне напряжения.

В условиях контактных нагрузок (шестерни, опоры, валы) широко используются показатели твердостиНВ,HRC,HV, которые характеризуют сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого телаиндентора.

Метод измерения твердости поБринеллю(ГОСТ 9012-59): значение твердостиНВопределяют путем деления нагрузкиPна площадь поверхности сферического отпечаткаd, полученного путем вдавливания в испытуемый материал шарика диаметромd.Ттвердость поРоквеллу (ГОСТ 9013-59) определяют в условных единицах по глубине вдавливания алмазного конуса при нагрузкеP = 600 Н (шкалы С и А)HRC,HRAили шарика приP = 1000 Н (шкала В)HRB. Измерениетвердости поВиккерсу (ГОСТ 2999-75) осуществляется путем вдавливания в материал четырехгранной пирамиды под действием нагрузкиP. Значение твердостиHVопределяют путем деления нагрузкиPна квадрат диагонали отпечатка пирамидыd2.

При высоких температурах оценка работоспособности материалов производится на основе определения характеристик жаропрочности.

Жаропрочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах под действием внешних механических нагрузок. Обычно выделяют три характеристики жаропрочности:

кратковременная прочность при повышенных температурах, т. е., определенное при некоторой повышенной температуреt;

предел длительной прочности– это напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной температуреtза время(ГОСТ 10145-81), например;= 300 МПа означает, что длительная прочность материала при испытании в течение 100 часов при 750С составляет 300 МПа; часто жаропрочность оценивают подолговечности– времени, которое выдерживает материал (образец) до разрушения под напряжениемпри температуреt, например,= 50 ч означает, что при испытании материала при температуре 900С, под напряжением 250 МПа время до разрушения составило 50 часов;

предел ползучести– это напряжение, которое при данной температуреt, за определенное времявызывает деформацию величиной(ГОСТ 3248-60), например,= 350 МПа означает, что предел ползучести материала при температуре 500С, при деформации 1 %, за 1000 часов испытания составляет 350 МПа; испытания, связанные с определением предела ползучести, являются наиболее длительными и трудоемкими.

    1. Эксплуатационные свойства материалов

Эксплуатационные свойства материала– это свойства, которые определяют длительность рабочего ресурса и надежность изделий в соответствии с их функциональным назначением и условиями эксплуатации. Отличительной особенностью эксплуатационных свойств является то, что для их оценки часто используют показатели ресурса или длительности работы материала – часы, циклы, термосмены, либо удельные показатели изменения массы или размеров образца (изделия) – г/час, мм2/час, мм/час и т. п.

Жаростойкость– это свойство материалов сопротивляться окислению и химической коррозии в газовой среде при высоких температурах. Жаростойкость зависит от интенсивности поверхностного (наружного) и объемного (внутреннего) окисления металлов и сплавов. Наружное окисление приводит к образованию поверхностного оксидного слоя – окалины. Внутреннее окисление вызывает фазовые превращения, порообразование и формирование микротрещин, что приводит к необратимому увеличению размеров и объема изделий – росту. Поэтому согласно ГОСТ 6130-71 жаростойкость оценивают по показателямокалиностойкостииростоустойчивости.

Термостойкость– это свойство материала выдерживать многократно повторяющиеся циклы нагрева и охлаждения, при которых в материале изделий возникают термические знакопеременные напряжения – сжатия при нагреве и растяжения при охлаждении. Под действием этих напряжений происходиттермоусталостное разрушение. Оценка термостойкости материала осуществляется экспериментально – по количеству термоциклов до появления первой видимой трещиныNили до разрушенияNP .

Коррозионная стойкость– это свойство материала сопротивляться разрушению в результате химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. В зависимости от характера взаимодействия материала с коррозионно-активной средой и особенностей нагружения изделий при эсплуатации проводят следующие виды испытания материалов на стойкость против:

а) общей коррозии (ГОСТ 9908-85);

б) межкристаллитной коррозии (ГОСТ 6032-84);

в) коррозионного растрескивания (ГОСТ 6032-84).

Износостойкость – это свойство поверхностных слоев деталей противостоять изнашиванию в условиях трения. Износостойкость является одной из основных характеристик, определяющих долговечность деталей и машин. Она оценивается либопотерей массына единице площади поверхности в единицу времени, г/(м2ч), либоуменьшением размеровобразца (детали) в единицу времени, мм/ч, мм/год (ГОСТ 23.002-78).

Хладостойкость– или отсутствие хладноломкости, это основное требование к материалам, работающим в условиях низких температур. Особенностью низкотемпературной службы является ужесточение требований по пластичности, т.к. с понижением температуры прочность возрастает, а пластичность резко падает. Поэтому, при выборе сплава испытания на прочность проводят при максимальной температуре эксплуатации (обычно комнатной), а испытания и пластичность – при минимальной. Одним из критериев минимальной рабочей температуры служитпорог хладноломкости– температура вязко-хрупкого перехода. Сложность количественной оценки влияния различных факторов на работоспособность материала при низких температурах затрудняет создание нормативных рекомендаций.

Радиационно-стойкими называют материалы, сохраняющие стабильность структуры и свойств в условиях нейтронного облучения. При облучении резко снижается коррозионная стойкость металлов и сплавов, снижается пластичность, повышается прочность, а главным образом, повышается сопротивление малой пластической деформации (0,2), т. е. растет вероятность хрупких разрушений. Радиационное воздействие сильнее сказывается на металлах с ГЦК решеткой, чем с ОЦК и ГПУ решетками.

Глубокий вакуумспособствует интенсивному испарению с рабочей поверхности деталей. Приемлемыми материалами для работы в высоком вакууме являются тугоплавкие металлы кобальт, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, а так же керамические материалы на основе оксидов алюминия, бериллия, хрома, кремния, титана.

    1. Технологические свойства

Технологические свойства– это группа свойств, определяющая технологию изготовления изделий. Эти свойства определяются наспециальных пробах, которые имитируют условия поведения материала при данной технологической операции.

Литейные свойстваопределяют возможность получения из сплавов качественных отливок. К ним относятсяжидкотекучесть, заполняемость, усадка, склонность к образованию пористости, горячих и холодных трещин, склонность к различным видам ликвациии другие. Для каждого из перечисленных свойств имеются свои виды проб. Большинство из них не регламентируются стандартами и поэтому полное количественное сопоставление технологических свойств двух-трех различных сплавов бывает очень затруднительно. Но некоторые более важные свойства регламентируются стандартами. Так, например, жидкотекучесть определяется поспиральной пробе– отливке в виде спирали Архимеда (ГОСТ 16438-70), мерой жидкотекучести является длина залитой части спирали в сантиметрах. Линейная усадка определяется на специальном устройстве (ГОСТ 16817-71), в котором затвердевает образец, а изменение его размеров фиксируется часовым индикатором.

Деформационные свойстваопределяют возможность получения из сплавов качественных полуфабрикатов, заготовок или деталей методами обработки давлением – штамповкой, прессованием, прокаткой и т. д. Различные методы обработки давлением определяют различные схемы течения металла при деформации. Поэтому пробы и оценки деформируемости очень разнообразны. Так, например, для определения штампуемости листа используютпробу по Эриксену. Мерой пластичности в этом случае является глубина лунки, которую можно получать без трещин и разрушения, при вдавливании в лист индентора определенного диаметра. Для определения объемной деформируемости сплавов используютпробу на осадку. Мерой деформируемости является величина осадки цилиндрического образца, не приводящая к образованию трещин.

Для того, чтобы различать понятие «пластичность» в механических свойствах и характеристики пластичности, полученные на пробах, для последних введен термин «технологическая пластичность». Для повышения технологической пластичности используется нагрев заготовок – горячая штамповка, горячая прокатка, изотермическая штамповка и т. п.

Свариваемостьопределяет возможность получения из сплавов качественных сварных соединений, равнопрочных с основным материалом. Наиболее популярной для определения свариваемости являетсяпроба на изгибвдоль или поперек сварного шва, полученного путем сварки двух пластинок из одного и того же или разных сплавов. Количественной мерой оценки в этом случае являетсяугол загибадо появления первых трещин. Не менее распространенным является определениеВи0,2 насварном образцеили определениеKCUпри сварке образцов большой толщины.

Способность к упрочнению термической обработкойможно рассматривать также как технологическое свойство. Рассматриваемое свойство оценивается не на особых технологических пробах, а на обычных образцах для механических испытаний. Мерой способности сплава к термической обработке являетсяразличие твердости(HB,HV)или прочностных свойств(В,0,2) до и после термической обработки.

Обрабатываемость резанием определяет возможность качественной механической обработки, причем специалисты относят термин «обрабатываемость резанием» не только к материалу заготовки, а к паре «заготовка-инструмент». Имеется в виду, что материал, который невозможно обработать инструментом из углеродистой стали, может считаться удовлетворительно обрабатываемым инструментом из быстрорежущей стали. Существуют некоторые общие характеристики, которые способствуют обрабатываемости резанием или затрудняют ее. Например, обрабатываемость ухудшается при повышении твердости сплава, при появлении в структуре сплава крупных твердых включений, при недостаточной ломкости стружки. Материалы с малой теплопроводностью обрабатываются с затруднениями из-за плохого отвода тепла из зоны резания и перегрева режущей кромки инструмента. Термообработка или введение специальных добавок в сплав облегчают процесс резания и удаления стружки.

Соседние файлы в папке Материаловедение