1.Определение металлов. Основные свойства металлов и сплавов и методы их определения.

.

Все металлы  это кристаллические вещества, имеющие определенную систему расположения ионов в пространстве, которая характеризуется кристаллической решеткой.Типичные св-ва Ме и сплавов: металлический блеск; пластичность; электропроводность; электронная эмиссия; металлический тип связей; кристаллическое строение.Св-ва Ме:физ(плотность, t плавления, теловое расширение,теплопроводность,электропроводность);мех.(прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, выносливость); хим.(относят хим. стойкость, стойкость против коррозии); технологические(способность подвергаться различным видам обработки (проба на штампуемость, на сваривание, изгиб-разгиб)); специальные (поведение в специальных условиях(повышение t, давления) а так же ввод специальных добавок при выплавке(Ме «с памятью»)).

Плотность-это отношение покоящейся массы к объему.

Температура плавления- это температура при которой Ме и сплавы переходят из ТТ в Ж состояние.

Тепловое расширение- увеличение объема при нагреве, хар-я коэффициент линейного расширения, которое показует увеличение ед. длинны при нагреве от 0 ºC на1 ºC .

Теплопроводность- это способность Ме и сплавов передавать тепло от боле нагретых к менее нагретым.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него других тел определенной формы и размеров под действием определенных сил.

Упругость- это возможность Ме и сплавов восстанавливать свои первоначальные формы и размеры после прекращения внешних сил, вызвавших это изменение.

Пластичность- … деформироваться без разрушения и сохранять приданную им форму после прекращения внешних сил.

Вязкость- …сопротивляться разрушению при действии на них ударных нагрузок.

Выносливость- … сопротивляться разрушению при действии на них знакопеременной нагрузки.

2.Испытания на растяжение.

используют стандартные образцы Испытания на разрывной машине. Разрывная машина записывает диаграмму растяжения образца Диаграмма растяжения образца это зависимость приложенной к образцу нагрузки от его абсолютного удлинения. На диаграмме растяжения отмечают:

- напряжения, соответствующие наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца - ;

- напряжения, при которых образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки (физический предел текучести) - ;

- максимальные напряжения, при которых еще сохраняется линейная зависимость между нагрузкой и удлинением - ;

площадь образца.

а б

- для малопластичных материалов определяется условный предел текучести - . Это напряжение, вызывающее остаточное удлинение образца в 0,2% от базовой длины ℓ₀. характеристики пластичности:

- относительное удлинение ;- относительное сужение ;где ℓ₁ и F₁- соответственно длина и площадь образца после разрушения. Тангенс угла наклона прямолинейного участка диаграммы состояния определяет модуль упругости материала Е. Характеристик материалов _0,2, _В, , , Е являются базовыми.

4.Испытания на ударную вязкость.

Хрупкое разрушение многих конструкций происходит при напряжениях не вызывающих пластической деформации. Причинами разрушения являются микротрещины, возникающие в процессе эксплуатации. Поэтому надежность конструкции определяется сопротивлением металла распространению имеющейся трещины. Величина ударной вязкости определяется как отношение работы удара (потенциальной энергии падающего маятника) к площади образца в месте надреза. Кроме числового значения ударной вязкости (ударную вязкость часто обозначают малой буквой а) исследуется характер излома – вязкий или хрупкий.

5.Испытания на выносливость.

Накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок называют усталостью. Свойство материалов сопротивляться усталости называют выносливостью. Предел выносливости – максимальное значение напряжения цикла нагружения, при котором не происходит усталостного разрушения образца. Цикл нагружения – множество переменных значений напряжений за один период их изменения. (Обычно число циклов нагружения составляет 10⁷ для сталей и 10⁸ для легких и цветных сплавов.) По результатам испытаний строятся кривые усталости Неметаллические включения, микротрещины, коррозия значительно снижают предел выносливости материалов.

а б в

Рис.2.6. Испытания образцов на усталость: а - схема испытаний; б - диаграмма нагружения образца; в - кривые усталости (1- имеющая горизонтальный участок; 2- не имеющая горизонтального участка).

6.Методы определения твердости металлов и сплавов.

Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое материала. Чаще всего для измерения твердости применяются методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Сущность этих методов заключается во вдавливании в поверхность образца индентора определенной формы и фиксировании усилия или глубины вдавливания. Схемы определения твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу :

. Схема определения твердости: 1 - по Бринелю;2 - по Роквеллу 3 - по Виккерсу.

Определение твердости металлов и сплавов по Бринеллю. Производится с помощью прибора ТШ-2М. Закаленный стальной шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм вдавливается в испытуемый образец. Твердость по Бринеллю НВ (выражается в МПа или кг/мм²) определяется отношением нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка.

,где F- площадь поверхности сферического отпечатка. Обозначается твердость по Бринеллю цифрами, выражающими число твердости, и после этих цифр пишут большие буквы НВ. Например, 175НВ (твердость составляет 175 кг/мм²). Диаметр отпечатка измеряется с помощью отсчетного микроскопа МПБ-2С с точностью 0,05 мм. Существуют таблицы зависимости твердости от диаметра отпечатка и приложенной нагрузки. Необходимо отметить, что между числом твердости по Бринеллю и пределом точности материала существует примерная зависимость _В=К₁НВ.

Определение твердости металлов и сплавов по Роквеллу. В этом методе в образец вдавливают алмазный конус или стальной шарик Измерение твердости производится с помощью прибора ТК-2М. Угол при вершине конуса составляет 120, диаметр шарика 1/16 дюйма (1,588 мм). Индикатор вдавливается в образец 2-мя последовательно действующими силами Р₀ и Р. Сила Р₀ равна 10кгс. Сила Р дополняет силу Р₀ до 60кгс или 150 при вдавливании конуса и до 100кгс при вдавливании шарика. Твердость по Роквеллу вычисляется по формуле:

,где h₀ - глубина внедрения индентора под действием предварительной нагрузки, мм; h - глубина внедрения индентора под действием суммарной нагрузки, мм; k=0,26 мм для шарика и 0,2 мм для конуса; с- цена деления шкалы индикаторного прибора, соответствующая внедрению наконечника на 0,002 мм. Твердость по Роквеллу безразмерная величина и отсчитывается по шкале измерительного прибора. Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и следующими за ними буквами HRС, HRА или HRВ.Шкалы С, А, В применяются в зависимости от предполагаемой твердости материала (С – более твердые; А, В – менее твердые).

Твердость по Виккерсу. Заключается во вдавливании в образец алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды. Затем производится измерения диагонали отпечатка (в миллиметрах). Твердость по Виккерсу определяется согласно зависимости:

,где Р- нагрузка вдавливания, выраженная в ньютонах. Нагрузка может меняться в диапазоне5…100кгс. Обозначается твердость по Виккерсу цифрой, характеризующей число твердости и следующими за ними буквами НV. Например 240 НV. Этот метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Существуют таблицы, позволяющие взаимно переводить твердость по Роквеллу, Бринеллю, Виккерсу.

7.Кристаллическое строение металлов. Виды кристаллических решеток и их характеристика. Полиморфизм металлов.

Все металлы  это кристаллические вещества, имеющие определенную систему расположения ионов в пространстве, которая характеризуется кристаллической решеткой.

Типы кристаллических решеток: а- объемноцентрированная кубическая (ОЦК); б- гранецентрированная кубическая (ГЦК); гексагональная плотноупакованная (ГПУ) решетка.

Некоторые металлы могут иметь различную кристаллическую структуру при разных температурах. Переход одной кристаллической структуры в другую называется полиморфизмом или аллотропией (имеет место полиморфное превращение). Чистые металлы не обладают необходимым комплексом требований к конструкционным материалам. Поэтому в технике преимущественно применяются не чистые металлы, а их сплавы.

8.Дайте характеристику строения металлов и дефектов кристаллического строения. Определение дислокаций. Плотность дислокаций.

Дефекты строения реальных кристаллов можно разделить на три группы: точечные, линейные и поверхностные .Точечные дефекты структуры  это отсутствие атомов (ионов) в некоторых узлах кристаллической решетки (вакансии) или появление атомов в межузлиях (внедренные атомы). Линейные дефекты  это геометрические дефекты кристаллической решетки, которые называются линейными, или краевыми дислокациями.

Схема идеального кристалла (а) и кристалла с линейной (краевой) дислокацией (б)

Дислокации это линейные дефекты кристаллического строения металлов. Они обычно расположены вдоль края незавершенной плоскости (краевая дислокация) или вдоль линии сдвига одной части кристалла относительно другой (винтовая дислокация).В дислокационной теории приняты

следующие допущения:

- скольжение распространяется по плоскости последовательно, а не одновременно;

- скольжение начинается от мест нарушения кристаллической решетки, которые должны быть или возникать в металле (кристалле) при его нагружении

η=Σlдисл/V−плотность дислок. всех длин на объем

10.Пластическая деформация поликристаллов.

Поликристалл состоит из мн-ва кристаллов; -ориентация хаотическая.

Пластическая деформация поликристаллов складывается из пластических деформаций кристаллов и их относительного смещения или из внутрикристаллитных и межкристаллитных деформаций.

Основной вклад в пластическую деформацию вносит внутрикристаллическая деформация, а межкристаллитная деформация мала и ее развитие приводит к разрушению (это для обычных условий).

в виду хаотически ориентированных кристаллографических плоскостей касательные

напряжения будут разными: в одних τ_мах в других τ_MIN .Сдвиг произойдет в «слабых»напряжение; где MIN напряжения, зерна «сильные».При пластическойдеформацииполикристаллов не все зерна одновременно включаются в пластическую деформацию. В начале пластич. деф. зерна «слабые», а затем все большее кол-во зерен будет вкл. в пластич. деф.И в последнюю очередь будут вкл. зерна «сильные»

9.Деформация металлов и теоретическая прочность. Дислокационный механизм пластической деформации. Размножение дислокаций (источник Франка-Рида).

Основное свойство упругой деформации состоит в том, что после снятия нагрузки деформация исчезает, т.е. деформированное тело восстанавливает свою форму и размеры.

Пластическая деформация является остаточной, так как после снятия нагрузки форма и размеры тела не восстанавливаются.

В области упругих деформаций деформируемое тело "помнит" свои размеры и форму, а в области пластических деформаций такая "память" нарушается.Пластическая деформация осуществляется методом скольжения или двойникования

Схема скольжения в кристаллической решетке при наличии в верхней части кристалла краевой дислокации: РQ – положение экстраплоскости до начала скольжения, Р¹Q¹  положение экстраплоскости после скольжения, АА – плоскость скольжения

Главным условием функционирования источника Франка  Рида является закрепление исходной дислокации в точках D и D, что легко осуществляется, если эти точки находятся на пересечении хотя бы трех плоскостей скольжения, по которым перемещаются дислокации.

Последовательность образования новой дислокации при действии источника Франка - Рида ( – сдвиговые напряжения в плоскости скольжения, возникающие под воздействием внешней нагрузки)

11. Холодная и горячая пластическая деформация металлов, их опреде­ление и возможности.

Механизм формоизменения металлических монокристаллов и поли­кристаллов возможен только при определенных температурных усло­виях, при которых температура деформирования обычно ниже 0,3Т_пл (К) (абсолютная температура плавления). При температурах деформирова­ния выше 0,3Т_пл (К) механизм пластической деформации усложняется такими явлениями, как возврат, рекристаллизация, изменение термиче­ской пластичности. На процессы деформирования большое влияние оказывает скорость деформирования, так как от нее зависят пластич­ность металлов и сплавов и степень протекания процессов возврата и рекристаллизации в процессе самой деформации и после нее.

1. Холодная обработка давлением осуществляется при температуре деформирования не только ниже температуры рекристаллизации, но и ниже температуры возврата, т.е. _деф  _возв .

В процессе деформирования отсутствуют возврат и рекристаллизация, поэтому эффект упрочнения при этом виде деформирования достаточно высок.

При холодной пластической деформации:

 образуется наклеп, материал существенно упрочняется, изменяются его физико-химические свойства, структура текстурирована;

 степень деформации ограничена, при ее превышении материал раз­рушается;

 требуются большие нагрузки (напряжения) и мощность оборудова­ния.

2. Горячая обработка давлением осуществляется при темпера­турах значительно выше температуры рекристаллизации, т.е. Т_деф  Т_рек .

Ввиду происходящей при горячей обработке рекристаллизации во всем объеме деформируемого металла наклеп образуется и сразу же снимается в процессе самой деформации, а неравномерность конечной структуры по деформируемому объему металла может быть следствием только нарушения режима охлаждения металла после окончания дефор­мации.

Для горячей пластической деформации характерны: наклеп, образующийся при деформации, сразу же снимается в процессе деформации, если скорость деформации относительно неве­лика, и после деформации в деформированном металле наклеп отсутст­вует; отсутствие ограничений по степеням деформации меньший в 5  15 раз предел текучести металлов и сплавов по сравнению с холодной деформацией, поэтому для осуществления деформации не требуется приложения очень больших сил и напряжений, мощность оборудования значительно меньше, чем при холодной пласти­ческой деформации; оптимальное сочетание структуры и свойств деформирован­ных металлов и сплавов, особенно заметно это проявляется после горя­чей обработки литых заготовок и полуфабрикатов.Неполная холодная обработка давлением осуществляется при температуре деформирования выше температуры возврата, но ниже температуры рекристаллизации, т.е. _возв  _деф  _рек .

Вследствие возврата происходит значительное снятие оста­точных напряжений, благодаря чему сопротивление деформированию несколько снижается, повышается пластичность и уменьшается степень упрочнения.

Неполная горячая обработка давлением осуществляется при температу­рах незначительно ниже температуры рекристаллизации, т.е. _деф  _рек . В случае неравномерного по тем или иным причинам распределения де­формаций в деформируемом объеме и малой скорости рекристаллизации последняя не успевает произойти во всем деформируемом объеме, по­этому структура металла неоднородна как в процессе деформирования, так и после охлаждения металла до комнатной температуры. Неравно­мерность структуры обуславливает и неравномерность прочностных и пластических характеристик по объему деформируемого металла после деформации.

12

При вторичной рекристаллизации образуется очень крупное и неравномерное по величине зерно.

Степень деформации, после которой в результате последующего рекристаллизационного от­жига образуется очень крупное и неравномерное по величине зерно, называет­ся критической степенью деформации _кр.

Вторичная рекристаллизация наблюдается в различных металлах и сплавах после вполне определенных степеней деформации