Глава 1.

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Металлы — кристаллические тела, атомы которых располага­ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве — атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются услов­ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приве­дены на рис. 1. Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 1)

В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вер­шинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алю­миний, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли­ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее пара­метрами, измеряемыми в ангстремах — А (1А = 10 ^-8 см или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется дли­ной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28—0,6 Нм (2,8 — 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра — сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а -- 1,633, то атомы упако­ваны наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гекса­гональной плотноупакованной.

Рис.1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Свойства кристалла определяются не только типом кристал­лической решетки, но и характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой. При переходе паров металла в жидкость, а затем в твердое состояние его атомы сближаются настолько, что валентные электроны получают возможность пере­ходить от одного атома к другому и свободно перемещаться, таким образом, по всему объему металла, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Между электронами и положительными ионами возникают силы электрического взаимодействия.

Рис. 2. Схемы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая; б — гранецентрированная кубическая; в — гексагональная плотноупакованная.

В зависимости от температуры и давления многие металлы могут образовывать различные типы кристаллических решеток. Эта способность металлов носит название полиморфизма или алло­тропии. Полиморфные превращения свойственны таким широко применяемым в машиностроении металлам, как Fe, Ti, Mn, Co, Sn. Полиморфные модификации элементов обычно обозначают, начи­ная с наиболее низкотемпературны, буквами α, β, γ, δ и т. д. Так например: железо при нагреве до температуры 910 °С образует модификацию α-Fe с ОЦК-решеткой, в интервале 910—1400 °С — γ-Fe с ГЦК-решеткой и свыше 1400 °С — δ-Fe с решеткой ОЦК. При этом происходит существенное изменение свойств материала. Это явление широко используют в технике для улучшения обра­батываемости металлов, при их термообработке и других про­цессах.

Для характеристики формы и размера элементарной ячейки кристаллической решетки используют (рис.2) шесть основных параметров: расстояния по осям координат — a, b, c называемые периодом решетки, и три угла — α, β, γ между этими отрезками. Кроме основных параметров в кристаллографии при­няты еще другие, дополнительно характеризующие кристалличе­скую решетку.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны.

Рис.3 . Последовательные этапы процесса кристаллизации.

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис.4). Это подтверждается на практике в тонких сечениях литых деталей охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными рассто­яниями между атомами в кристаллической ячейке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кри­сталлическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят такие показатели физических свойств, как прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропровод­ности, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свой­ства, как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различаются у различных граней кристалла.

Рис.4. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен.

1 - медленное охлаждение, 2 – ускоренное охлаждение, 3 – быстрое охлаждение.

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от иде­альных, представленных на рис. 1, вследствие наличия в них дефектов, которые подразделяют на поверхностные и внутренние. Реальный единичный кристалл обладает свободной (наружной) поверхностью, на которой уже вследствие поверхностного натяже­ния решетка будет искажена. Это искажение может распростра­няться и на прилегающую к поверхности зону.

Рис.5. Дефекты кристаллической решетки:

а — точечные; б — линейные; в - двухмерные (плоскостные)

Дефекты внутреннего строения подразделяют на нульмерные (точечные), одномерные — линейные и двухмерные, т. е. развитые в двух направлениях. К точечным дефектам относятся: вакансии в случае, когда отдельные узлы кристаллической решетки не за­няты атомами; дислоцированные атомы, когда отдельные атомы оказываются в междуузлиях, или примесные атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких дефектов решетка будет упруго-искаженной на расстоянии одного-двух ее периодов (рис. 5, а). Хотя относительная концентрация точечных дефектов может быть невелика, они вызывают чрезвы­чайно большие изменения физических свойств материала. Напри­мер, тысячные доли атомного процента примесей к чистым полу­проводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопроти­вление в 10⁵—10⁸ раз.

Линейные дефекты малы в двух измерениях кристаллической решетки и достаточно велики в третьем. К таким дефектам отно­сятся смещения атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 5, б). Важнейшим свойством таких дефектов является их подвижность внутри кристалла и активное взаимо­действие между собой и с другими дефектами.

Плотность дислокаций в кристаллах велика: в недеформированных кристаллах их количество на 1 см³ достигает 10⁶—10⁸; при пластической деформации происходит возникновение новых дисло­каций, и это число увеличивается в тысячи раз. Двухмерные де­фекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества мелких кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при затвердевании кристаллов предста­вляет собой тонкую, до 10 атомных диаметров, зону с нарушением порядка в расположении атомов. В поликристаллическом теле границы отдельных кристаллов имеют криволинейные поверх­ности раздела, а сами кристаллы — неправильную форму. По­этому их, в отличие от правильно ограниченных кристаллов, на­зывают кристаллитами или зернами. Зерна поликристалла при затвердевании растут из различных центров кристаллизации и ориентация осей кристаллических решеток соседних зерен раз­лична. Зерно металла состоит из отдельных блоков, ориентирован­ных один по отношению к другому под небольшим углом. Границы между ними представляют собой обычно скопления дислокаций (рис. 5, в). Поверхностные дефекты малы только в одном направле­нии; в двух других они могут достигать размера кристаллита.

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравне­нию с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 6 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см³ приводит к резкому снижению прочности (ветвь А). Точка Р_к характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов (ветвь В). Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов. Наибольшее упроч­нение достигается при плотности дислокаций 10¹² —10¹⁸ на 1 см³.

Рис. 6. Зависимость проч­ности кристаллического тела от плотности де­фектов строения

Кроме влияния на прочностные характеристики дефекты ре­шетки играют большую роль в процессах диффузии и самодиффу­зии, которые во многом определяют скорости протекания хими­ческих реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупровод­никовых элементов.

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов, называ­емых компонентами. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Широкое применение сплавов в качестве машиностроительных материалов можно объяснить тем, что они обладают разнообразным комплек­сом свойств, которые могут быть направленно изменены в зависимости от количества и вида компонентов, а также с помощью термической или других видов обработки.

Рис. 7. Виды кристаллических решеток сплавов.

а — твердый раствор замещения; б — твердый раствор внедрения; в — химическое соединение

При сплавлении ком­поненты образуют в сплаве фазы — однородные объемы, разграниченные друг от друга поверхностями раздела — границами, при переходе через которые свойства могут изменяться скачко­образно. В сплавах образуются следующие основные фазы: твер­дые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью их строения является сохранение кристаллической решетки металла-раствори­теля. Растворенные металлы могут быть распределены в ней в виде твердого раствора замещения (рис. 7, а) в том случае, если у обоих компонентов однотипные решетки, достаточно близкие атомные радиусы и физико-химические свойства, или в виде твердого раствора внедрения (рис. 7, б), если атомный радиус растворенного компонента достаточно мал.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-хими­ческие, технологические и эксплуатационные. К основным меха­ническим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износо­стойкость. Под прочностью понимают способность материала сопроти­вляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках произ­водят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Пока­зателем прочности является предел прочности образца испытуемого металла, приведенного на рис. 9, а.

,

где Р — нагрузка, необходимая для разрушения стандартного образца, МН; F₀— площадь поперечного сечения образца в мм.

Упругая и пластическая деформация.

Деформацией называется изменение размеров и формы металла под действием приложенных сил. Деформация металла бывает упругой, устраняющейся после прекращения действия внешних сил, и пла­стической, остающейся после прекращения действия внешних сил.

При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется. При растяжении атомы удаляются, а при сжатии сближаются. Изменение межатомного расстояния очень мало и после снятия нагрузки смещенные атомы под действием сил притяжения (после рас­тяжения) и отталкивания (после сжатия) становятся на свои места.

При пластической деформации происходит скольжение (сдвиг) одной части кристалла относительно другой как результат пере­мещения атомов по определенным плоскостям кристаллической решетки. Для того чтобы сдвиг произошел путем одновременного сме­щения одной части кристалла относительно другой, потребовалось бы усилие, в сотни раз превышающее затрачиваемое при деформации реального металла. Как было указано выше, кристалл реального металла имеет ряд дефектов — дислокаций, и пластический сдвиг в реальном кристалле есть процесс перемещения дислокаций. В реальном металле число дислокаций очень велико. Образова­ние дислокаций требует значительной энергии, но они легко пере­мещаются. Таким образом, процесс скольжения в кристалле реаль­ного металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль пло­скости скольжения. Следовательно, если в кристалле нет дислокаций, то он обла­дает весьма высокой прочностью, равной теоретической. Это дока­зано созданием и исследованием бездислокационных кристаллов.

Методы испытания механических свойств металлов.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испы­тания механических свойств металлов делят на три группы:

статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твер­дость);

динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударно (испытание на удар);

испытания при повторно-переменных нагрузках, когда нагрузка в про­цессе испытания многократно изменяется по величине или по вели­чине и знаку (испытание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определяется различием в условиях работы деталей машин, инстру­ментов и других металлических изделий.

Испытание на растяжение. Для испытания на растяжение при­меняют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение про­водится на разрывных машинах с механическим или гидравличе­ским приводом. Эти машины снабжены специальным приспособле­нием, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения.

Пределом упругости (условным) σ_уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной величины образца и определяется по формуле:

,

где P_0,05 — нагрузка, соответствующая пределу упругости (услов­ному).

Пределом текучести (физическим) σ_т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без замет­ного увеличения нагрузки:

,

где Р_т — нагрузка, соответствующая пределу текучести (физиче­скому).

Пределом текучести (условным) σ_0,2 называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца:

,

где Р_0,2 — нагрузка, соответствующая пределу текучести (услов­ному).

Пределом прочности (временным сопротивлением) σ_в называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_в, пред­шествующей разрушению образца:

.

Истинным сопротивлением разрушению S_К называется напря­жение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва образца к площади поперечного сечения F_K образца в шейке после разрыва:

.

Относительным удлинением δ называется отношение абсолют­ного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l_к — l₀), к его первоначальной расчетной длине l₀, выражается в процентах:

,

где l_к — длина образца после разрыва.

Относительным удлинением характеризуется пла­стичность металла — это свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки или напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и раз­меры после прекращения этого влияния.

Рис.9. Испытания для определения ме­ханических характеристик:

а – предела проч­ности и пластических характеристик; б — ударной вязкости; в — твердости (по Бринеллю)

Прочность при динамических нагрузках определяют по дан­ным испытаний: на ударную вязкость — разрушением ударом стандартного образца на копре (рис.9б), на усталостную прочность — опре­деляя способность материала выдерживать, не разрушаясь, боль­шое число повторно-переменных нагрузок, на ползучесть — определяя способность нагретого материала медленно и непре­рывно деформироваться при постоянных нагрузках. Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость:

,

где А — работа, затраченная на разрушение образца, МДж; А = РН — Ph, здесь Р — вес маятника, МН; F— площадь поперечного сечения разрушаемого образца, м².

Испытание на твердость. Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяе­мым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости — вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Твердость по Бринеллю В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. В результате на поверхности металла получается отпе­чаток (лунка). Диаметр отпечатка изме­ряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю записывается латинскими буквами НВ, после которых записывается числовой показатель твердости. Например, твердость по НВ 220. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавли­ваются.

Твердость по Роквеллу - испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика в поверхность испытываемого металла. Вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм Испытания шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов. Число твердости по Роквеллу записывается латинскими буквами HRC, после которых записывается числовое значение твердости. Например, твердость по HRC 230.

Твердость по Виккерсу - испытание на твердость вдавливанием пирамиды. В поверх­ность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду. По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV 140.

Испытание на микротвердость. Это испыта­ние применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, например твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специаль­ном приборе, состоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и металлографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливается в испытываемый материал под очень малой нагрузкой. Твердость определяется величиной Н/м² или кгс/мм².

Износостойкость — способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

К физико-химическим свойствам материалов относятся темпе­ратура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэф­фициенты линейного и объемного расширения, способность к хи­мическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Перечисленные свойства во многом определяются химическим составом компонентов сплава и их структурой.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холод­ной обработки. К основным из них относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инстру­ментом.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение от­ливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость — это способность металла или сплава деформиро­ваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности, от температуры нагрева и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовы­вать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечива­ющих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть вне­дрены в производство только в том случае, если их технологи­ческие свойства удовлетворяют необходимым требованиям. По­казатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.