- •В.И. Абрамова, н.Н.Сергеев
- •Абрамова Влада Игоревна
- •Историческая справка
- •1. Классификация материалов
- •2. Сырье для производства конструкционных материалов
- •2.1. Материалы для производства металлов и сплавов
- •2.2. Материалы для производства пластмасс
- •2.3. Материалы для производства резиновых изделий
- •2.4. Материалы для производства клеев и герметиков
- •2.5. Материалы для производства керамики, стекла и графита
- •1. Чугуна, стали и цветных металлов
- •2. Пластмасс
- •3. Резины
- •4. Клеев и герметиков
- •5. Керамики, стекла, графита
- •3. Кристаллическое строение металлов и
- •3.1. Дефекты кристаллической решетки
- •Дефекты кристаллического строения
- •4. Кристаллизация
- •5. Полиморфные превращения
- •6. Основные свойства металлов и сплавов
- •6.1. Напряжение и деформация
- •6.1.1. Напряжение. Тензор напряжений
- •6.1.2. Деформации. Тензор деформаций
- •6.1.3. Схемы напряженного и деформированного состояния при механических испытаниях различных видов
- •6.1.4. Упругая и пластическая деформация
- •6.1.5. Механизм пластической деформации
- •6.2. Классификация механических испытаний
- •6.4. Статистическая обработка результатов механических испытаний
- •6.5. Разрушение
- •6.6. Наклеп
- •6.7. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)
- •Возврат, полигонизация и рекристаллизация
- •В зависимости от температуры при нагреве в материалах происходят процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации.
- •7. Теория сплавов
- •7.3. Твердые растворы
- •8. Диаграммы состояния
- •8.1. Общие сведения о построении диаграмм состояния
- •8.2. Типы диаграмм состояния
- •8.2.1. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода)
- •Правило отрезков
- •8.2.2. Диаграмма состояния для сплавов с неограниченной растворимостью в твердом состоянии (II рода)
- •8.2.3. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода)
- •Диаграмма с эвтектикой
- •Диаграмма с перитектикой
- •8.2.4. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения (IV рода)
- •А) Диаграмма с устойчивым химическим соединением
- •Б) Диаграмма с неустойчивым химическим соединением
- •8.2.5. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения
- •8.3. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы
- •9. Железо и его сплавы
- •9.1. Диаграмма железо-углерод
- •9.1.1. Компоненты и фазы в системе железо - углерод
- •9.2. Стали
- •9.2.1. Влияние постоянных примесей на свойства стали
- •9.2.2. Маркировка углеродистых сталей общего назначения
- •9.2.3. Классификация и маркировка легированных сталей
- •9.3.1. Марки чугунов
- •10. Общие положения термической обработки
- •10. 1. Температура и время термической обработки
- •10.2. Классификация видов термической обработки
- •10.3. Основные виды термической обработки стали
- •10.4. Четыре основных превращения в стали
- •10.5. Образование аустенита
- •10.6. Рост аустенитного зерна
- •10.7. Распад аустенита
- •10.8. Мартенситное превращение
- •10.9. Бейнитное превращение
- •10.10. Превращения при отпуске
- •10.11. Влияние термической обработки на свойства стали
- •Классификация видов термической обработки
- •11. Химико-термическая обработка
- •12. Термомеханическая обработка
- •13. Цветные металлы и сплавы
- •13.1. Медь и ее сплавы
- •13.2. Алюминий и его сплавы
- •13.3. Титан и его сплавы
- •13.4. Антифрикционные сплавы
- •14. Неметаллические материалы
- •14.1. Понятие о неметаллических материалах и классификация полимеров
- •14.2. Особенности свойств полимерных материалов
- •14.3. Пластические массы
- •14.4. Неорганические материалы
- •14.5. Древесные материалы
- •1. Характеристика микроанализа
- •2. Методы оптической микроскопии
- •Химический состав сталей, %
- •Литература
- •Содержание
6.5. Разрушение
Для конструкционного материала требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.
Обычно сопротивление деформации (упругой и пластической) объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению – надежность. Если разрушение происходит не за один, а за несколько актов нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала.
Высококачественный конструкционный материал должен быть одновременно прочным, надежным и долговечным.
6.6. Наклеп
С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации (предел прочности sВ, предел текучести s0,2 и т.д.) повышаются, а способность к пластической деформации (относительное удлинение d уменьшается (рис.23). Это явление получили название наклепа.
Рис.23.Изменение механических свойств меди (а) и алюминия (б) в зависимости от степени пластической деформации.
Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность.
6.7. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизационные процессы)
Большая часть работы (до 95%), затрачиваемой на деформацию металла, превращается в теплоту (металл нагревается). Остальная часть энергии аккумулируется в металле в виде повышенной плотности дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.). Такое состояние наклепанного материала термодинамически неустойчиво. При нагреве такого металла в нем протекают процессы возврата, полигонизации и рекристаллизации, после которых происходит возвращение всех свойств к свойствам металла до деформации.
Возврат, полигонизация и рекристаллизация
При нагреве до температур ниже (0,2-0,3) от температуры плавления Тпл начинается процесс возврата, под которым понимают снятие искажений кристаллической решетки, которые произошли в деформированном образце до нагрева. В процессе возврата происходит уменьшение точечных дефектов и некоторая перегруппировка дислокаций. В результате этого прочность материала понижается, а пластичность увеличивается. Наряду с возвратом может протекать и процесс полигонизации, в результате которого беспорядочно расположенные внутри зерна дислокации собираются, образуя сетку (рис.24) и создавая ячеистую структуру.
Рис.24. Образование дислокационной сетки (полигонизация): а – до полигонизации, б – после полигонизации
При более высоких температурах, чем возврат и полигонизация, может начаться процесс образования новых зерен – рекристаллизация. Температура рекристаллизации Трек нахо-
дится в зависимости от температуры плавления Тпл: Трек = а Тпл (а – коэффициент, зависящий от степени чистоты металла; у металлов технической чистоты а=0,3-0,4).
Рекристаллизация происходит в две стадии. Схема изменения строения наклепанного металла при нагреве показана на рис.25. Процессы первичной и вторичной рекристаллизации имеют ряд особенностей. При первичной рекристаллизации происходит превращение вытянутых вследствие пластической деформации зерен в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна. Вторичная (или собирательная рекристаллизация) заключается в росте зерен и протекает при более высоких температурах, чем первичная. Возможны три существенно различных механизма роста зерна: 1) зародышевый – состоящий в том, что после первичной рекристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, которые затем растут; 2) миграционный – состоящий в перемещении границы зерна и в увеличении его размеров; 3) слияние зерен – состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. По какому механизму будет идти рекристаллизационный процесс, зависит от температуры.
Рис.25. Схема изменения строения металла при нагреве
Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Дело в том, что в процессе рекристаллизации происходит изменение структуры и, следовательно, свойств материала. При первичной рекристаллизации зерно становится мелким, имеющим равноосную структуру. Так, после первичной рекристаллизации восстанавливается начальная (до деформации) пластичность материала и происходит уменьшение прочностных характеристик. Образование крупных
зерен, а также разнозернистой структуры (наличие и крупных, и мелких зерен одновременно) при вторичной рекристаллизации не способствует получению стабильных и высоких свойств материала. Поэтому необходимо регулировать температуру, при которой проходят те или иные процессы рекристаллизации, не допуская возникновения нежелательной структуры, а, следовательно, и свойств.
Резюме
Наличие металлических свойств характеризует так называемое металлическое состояние веществ, обусловленное наличием металлической связи и кристаллическим строением решетки.
цвет, прочность, окисляемость, прокаливаемость, особые свойства
плотность, упругость, растворимость, жидкотекучесть, для эксплуатации
температура вязкость, коррозионная и ковкость,
плавления, пластичность, жаростойкость свариваемость,
электро- и хрупкость обрабатываемость
теплопровод- резанием
ность,
магнитные и др.
свойства
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.
Твердостью называется сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.
Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.
Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения.
Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).
Многие механические свойства выражаются через величину напряжений. В механике напряжения обычно рассматриваются как удельные характеристики сил, возникающих в теле под действием внешних нагрузок.
В простейшем случае осевого растяжения стержня определяются как
S=P/F,
где S - напряжение в сечении площадью F, перпендикулярном оси образца, вдоль которой действует сила P.
Размерность МПа или кгс/мм2 (1 кгс/мм2 =9,8 МПа).
В общем случае сила не перпендикулярна плоскости площадки, на которую она действует. Процессы при деформации и разрушении определяются касательными напряжениями (пластическая деформация, разрушение путем среза) и нормальными (разрушение отрывом).
Нормальное напряжение в сечении Fa
S=(P/F0 )cos2 a,
а касательное
t= (P/F0 )cos a sin a = ½ (P/F0) sin 2a.
Максимальные нормальные растяжения возникают при a =0 , а максимальные касательные напряжения - при a=450.
Нормальные напряжения делят на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные); а также на условные и истинные. Истинные напряжения будем обозначать символами S (нормальные) и t (касательные), а условные - s и t соответственно.
Для оценки напряжений, действующих в любом сечении тела, используется тензор напряжений.
Совокупность трех нормальных (Sx ,Sy , Sz) и шести касательных (txy ,t xz , t yz , tzy , t zx ,t yx) напряжений - есть тензор напряжений, который записывается как
Под действием внешних нагрузок происходит деформация, в результате которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформации, исчезающие после снятия напряжений, называют упругими, а сохраняющиеся после прекращения действия внешних напряжений – остаточными. Остаточная деформация, происходящая без разрушения, называется пластической.
По результатам механических испытаний оценивают различные характеристики упругой, а чаще остаточной деформации. Наиболее широко используют следующие характеристики деформации: удлинение (укорочение), сдвиг и сужение (уширение) образцов. Эти величины могут также быть относительными или истинными.
Результаты механических испытаний в значительной мере определяется схемой напряженного состояния, которая задается в образце условиями его нагружения. Всего существует 8 схем.
Зависимость между деформациями и напряжениями выражается кривой деформации - напряжения. С помощью нее можно определить основные прочностные характеристики материала.
Классификация механических испытаний
- по схеме напряженного и деформированного состояния (см. табл.1),
- по характеру нагружения образца (статические, динамические и циклические),
- испытания на твердость,
- испытания на ползучесть и длительную прочность.
Большинство характеристик механических свойств металлов не является физическими константами. Следует соблюдать три вида подобия:
геометрическое (форма и размер образца),
механическое (схема и скорость приложения нагрузки),
физическое (внешние физические условия).
Для конструкционного материала требуется не только высокое сопротивление деформации, но и высокое сопротивление разрушению.
Сопротивление деформации (упругой и пластической) объединяют в общее понятие прочность, а сопротивление разрушению – надежность. Если разрушение происходит не за один, а за несколько актов нагружения, причем за каждый акт происходит микроразрушение (износ, усталость, коррозия, ползучесть), то это характеризует долговечность материала.
С увеличением степени пластической деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации. Это явление получили название наклепа.