1.2. Основные характеристики свойств материалов

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физико-механических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований, необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-математических свойств конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).

В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются предел текучести - s_0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2%) и временное сопротивление (предел прочности) - s_в, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a_k, МДж/м²), т.е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К_1с, МПа×мм^1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность изделий зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивлением износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний и является достаточно трудоёмкой операцией и требует специального оборудования.

Наиболее простым методом определения механических свойств материала является измерение твёрдости.

Твёрдостью называют сопротивление материала пластической деформации при контактных нагрузках, для которых характерно резкое изменение напряжений в поверхностном слое материала. Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и измерения микротвёрдости.

По методу Бринелля в образец вдавливают стальной шарик и величину твёрдости определяют по отношению приложенной нагрузки (P) к площади отпечатка (S). Обозначается твёрдость как HB.

По методу Роквелла индентором может быть либо стальной шарик (шкала В при нагрузке 1000 Н), либо алмазный конус (шкала А при нагрузке 1500 Н (Ньютон) и С – при нагрузке 600 Н). Числом твёрдости является некоторая условная величина, связанная с глубиной отпечатка при вдавливании индентора. Эта величина определяется непосредственно на шкалах прибора. В зависимости от используемого индентора и шкалы твёрдость обозначается как HRB, HRC и HRA. Шарик используется для определения твёрдости относительно мягких материалов, а алмазный конус - для твёрдых, причём шкала A используется для измерения твёрдости тонколистовых материалов.

По методу Виккерса предлагает в качестве индентора алмазную пирамидку. Твёрдость определяется по величине диагонали отпечатка и обозначается HV. Этот метод чаще используют для определения твёрдости тонких лент и покрытий.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

2. Что такое конструкционная прочность?

3. Какие требования к конструкционным материалам предъявляют в пищевой промышленности?

4. Какие материалы относят к аморфным, а какие – к кристаллическим?

Тесты по теме 1

Тест 1. Одинаковы ли требования к конструкционным материалам в любой отрасли техники и в пищевой промышленности?

1.1. да, одинаковы;

1.2. в пищевой промышленности обязательны требования высокой коррозионной стойкости при контакте с пищевыми продуктами и экологическая безопасность материалов;

1.3. в пищевой промышленности более высокие требования к конструкционной прочности.

Тест 2. Назовите основные различия между ОЦК и ГЦК кристаллическими решетками.

2.1. и те и другие решетки одинаковы – кубические;

2.2. отличие заключается в различном расположении атомов в кристаллической решетке;

2.3. основное различие в базисах (числе атомов в ячейке: в ОЦК – 2, в ГЦК - 4).

Тест 3. Приведите размерности основных дефектов кристаллических решеток.

3.1. дефекты могут быть только точечные;

3.2. дефекты могут быть либо точечные, либо линейные;

3.3. дефекты могут быть точечными, линейными, плоскими и объемными.

Тест 4. Какие типы химических соединений характерны для конструкционных материалов?

4.1. твердые растворы и интерметаллиды;

4.2. карбиды;

4.3. нитриды, интерметаллиды.

Тест 5. Каковы различия между прочностью и надежностью?

5.1. различий нет, обе характеристики входят в понятие конструктивной прочности;

5.2. прочность характеризует сопротивление пластической деформации, а надежность – хрупкому разрушению;

5.3. обе характеристики измеряются в мегапаскалях, но при разных температурах.