7. .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.

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.

Химические соединения обычно образуются между металлами и неметаллами и обладают свойствами неметаллических включе­ний, а также между металлами. При этом образуется новый тип кристаллической решетки, отличной от решеток составляющих компонентов и обладающий другими свойствами (рис.7, в). При сплавлении компонентов с весьма различными атомными радиусами и электрохимическими свойствами взаимная раствори­мость практически отсутствует. В этом случае образуется механи­ческая смесь кристаллов компонентов.

. Как правило, в много­компонентных металлических сплавах можно одновременно встре­тить три вида фаз. Направленным изменением сочетания компонентов в сплавах можно изменять количество дефектов строения и, следо­вательно, управлять физико-механическими характеристи­ками.

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 .

8. .Механические свойства конструкционных материалов.

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.

Учитывая, что на характер диаграммы растяжения влияет размер образца, диаграмму строят (рис.8) в координатах напряжение σ (в Н/м² или кгс/мм²) — относительное удлинение δ (в %). При испытании на растяжение определяют следующие характе­ристики механических свойств: пределы пропорциональности, упру­гости, текучести, прочности, истинного сопротивления разрыву, относительное удлинение и сужение.

Рис. 8. Диаграмма растяжения.

Пределом пропорциональности (условным) σ_пц называется такое напряжение, когда отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого касательной к кривой нагрузка — дефор­мация с осью нагрузок, увеличивается, например, на 25 или 50% по сравнению с первоначальным значением:

,

где Р_пр — нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (условному).

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.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатацион­ными или служебными характеристиками материалов, применя­емых для их изготовления. В зависимости от условий эксплуата­ции и рабочей среды к машиностроительным материалам помимо прочностных характеристик можно предъявлять требования жаро­прочности, т. е. сохранения высоких механических характеристик мри высоких температурах; коррозионной стойкости при работе в различных агрессивных средах; повышенной износостойкости, необходимой, если детали в процессе работы подвергаются исти­ранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности, с кера­микой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания техноло­гичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характе­ристики.