11. Анизотропия кристаллов и ее влияние на свойства материалов.

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.

12. Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.

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. Введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов . Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов.

13. Виды кристаллических решеток сплава.

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.

14. Понятие о фазах, виды фаз.

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.

15. Механические свойства конструкционных материалов.

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 .

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.

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.

16. Технические свойства конструкционных материалов.

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.

17. Литейные сплавы.

Сталь, чугун, литейные медные сплавы, алюминиевые сплавы, тугоплавкие сплавы, магниевые сплавы.

18. Производство чугуна. Исходные материалы.

Исходными материалами для производства чугуна являеютя минералы железа: Красный железняк (гематит) содержит железо главным образом в виде Fe₂O₃ — безводной окиси железа. Пустой породой в нем обычно бывает кремнезем. Содержание железа в красных железня­ках составляет 45—65 % при малом содержании вредных примесей. Красный железняк хорошо восстанавливается в доменных печах.

Бурый железняк (лимонит) содержит железо в форме водных окислов типа nFe₂O₃-mH₂O с переменным количеством гидратной влаги. Собственно лимонитом обычно называют минерал, содержа­щий 57,14 % Fe₂O₃ и 25,3 % Н₂О и имеющий желтую окраску. Обычно бурый железняк содержит 25—50% Fe, но гидратная влага, легко удаляемая при плавке, делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению. Ее пустая порода обычно состоит из глины. Бурые железняки многих месторождений содержат значительные количе­ства серы, фосфора и других вредных примесей.

Магнитный железняк (магнетит) содержит железо главным обра­зом в виде Fe₃O₄ (закись-окись железа), обладающей хорошо вы­раженными магнитными свойствами. Пустой породой, сопутствую­щей ему, бывают кремнеземистые минералы. Магнетиты содержат железа от 40 до 70 % и являются наиболее богатыми железными рудами, но восстанавливаются труднее других руд, так как явля­ются плотными горными породами; часть магнетита в результате выветривания бывает иногда окислена до Fe₂O₃ и такие руды, в зави­симости от степени окисления, иногда называют полумартитом или мартитом. Если они залегают вместе с пиритами, то руда иногда может содержать и до 2% серы в виде FeS₂.

Шпатовый железняк (сидерит) содержит железо в виде углекислой соли FeCO₃. Его пустая порода содержит алюмосиликаты и магне­зит, а содержание железа колеблется от 30 до 37%. Для повышения процента железа эти руды перед плавкой обжигают, удаляющийся при этом углекислый газ делает руду пористой и легко поддающейся восстановлению.