В начале обозначения  -  двухзначное число показывает содержание углерода в сотых долях процента. Далее легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита. Цифры , следующие за буквой , показывают его содержание в целых процентах. Если число не ст

                                                                                                                              Лекции Елсуковой Л. А.

                                                                       ВВЕДЕНИЕ   

Материаловедение - наука о строении материалов, их свойствах и применении в технике и промышленности.

Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Дмитрию Константиновичу, который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.

Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска, пластической деформации и т. д.

В своих работах по кристаллизации стали и строению слитка, Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.

Великий русский металлург Аносов П. П. впервые применил микроскоп для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ стало ясно, что так называемый булатный узор на поверхности стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.

Все КОНСТРУКЦИОННЫЕ материалы можно подразделить на металлические и неметаллические.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ конструкционные материалы бывают на основе черных или цветных металлов. К черным относят железо и сплавы на его основе – чугуны, стали, сплавы с особыми свойствами; к цветным - медь, алюминий, титан, магний и другие.

К НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМ конструкционным материалам относят пластмассы, резину, керамику, древесину, стекло и др.

Большое разнообразие применяемых конструкционных материалов, обусловлено большим разнообразием эксплуатационных характеристик, т. е. к материалу при эксплуатации предъявляется комплекс различных требований. Например, материал должен обладать:

- высокими характеристиками прочности и пластичности;

- коррозионной стойкостью;

- способностью работать при высоких (низких) температурах;

- износостойкостью;

- электропроводностью;

- иметь малый удельный вес и т. д.

При конструировании, изготовлении и эксплуатации машин, приборов, конструкций специалисту (конструктору, технологу, рабочему, персоналу по обслуживанию и эксплуатации конструкций) приходится сталкиваться с конструкционными материалами, их выбором, использованием. Специалисты должны понимать выбор того или иного материала для конструкций, должен представлять, чем обусловлен выбор того или иного вида термообработки, уметь пользоваться справочной литературой, государственными стандартами.

Дисциплина материаловедение является общепрофессиональной – ее изучают и сварщики, и резчики, и механики, ит. д.

Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты.

Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с ЗАРАНЕЕ РАССЧИТАННЫМИ СВОЙСТВАМИ применительно к заданным параметрам и условиям работы.

До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная

металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь, они обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Поэтому, по данным научных исследований, через 20-40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на основе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.

           ОСОБЕННОСТИ АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ  

В огромном ряду материалов, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение этому: и в названиях эпох – золотой, серебряный, бронзовый, железный века; и в археологических находках металлических изделий ( кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого – в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов. Металлы характеризуются определенным набором свойств: металлический блеск (хорошая отражательная способность); - пластичность; высокая теплопроводность;  высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям  вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико    и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов. Таким образом, пластичность, теплопроводность, электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».                             

Общим свойством металлов и их сплавов является их КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ, характеризующееся закономерным расположением атомов в пространстве ( в отличие от аморфных тел, характеризующихся беспорядочным расположением).

Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ, являющейся воображаемой пространственной сеткой, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Наиболее распространены три типа кристаллических решеток:

 - объемно-центрированная кубическая ОЦК ( Cr, Mo, α - Fe, W, V)$

- гранецентрированная кубическая  ГЦК ( Al, Ni, Cu, γ -F, Ag, Au);

 - гексональная плотноупакованная ГПУ   (Mg, Ti, Zn, Co, Be).

Рассматривая схематические изображения, необходимо помнить, что реальный металл состоит из большого числа ячеек, условные линии воображаемы, а атомы колеблются в условных точках, так называемых УЗЛАХ РЕШЕТКИ.

Рис. 1. Типы кристаллических решеток -. Кузьмин Б. А., Самохоцкий А. И. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы. – М.: Высшая школа, 1984 (далее: учебник ), стр. 7, рис. 1. 1.

Из рисунка  видно, что решетка ОЦК менее компактна, чем ГЦК и ГПУ.

                                ПОЛИМОРФИЗМ МЕТАЛЛОВ

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различные кристаллические решетки.

Способность металлов существовать в различных кристаллических формах носит название

полиморфизм или аллотропия.

Ряд элементов: (Fe, Ti, Co, Mn, Sn, Ca, Li ) имеют две и более модификации кристаллических решеток. Обозначаются они малыми буквами греческого алфавита (α, β, γ …), начиная с той формы, которая существует при более низкой температуре.

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

Рассмотрим кривую охлаждения железа в координатах температура – время, характеризующую его полиморфные превращения.

Рис. 2. Кривая охлаждения железа.   Учебник, стр. 13, рис1. 11.

На явлении полиморфизма основана термообработка сплавов. При переходе из одной модификации в другую, меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества γ - Fе на 3 % больше плотности α – Fe, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Наличие горизонтальной площадки на кривой охлаждения объясняется тем, что превращение одной модификации в другую сопровождается тепловым эффектом (выделением тепла) – т. е. охлаждение компенсируется выделением тепла; в итоге превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре - на графике – горизонтальная площадка.

                     ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ

Из жидкого расплава можно вырастить монокристалл. Их обычно используют в лабораториях для изучения свойств того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, т. е. имеют Поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве.

Рис. 3. Поликристаллическое строение металлов. Учебник, стр. 19, рис2. 3, а).

В самой кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты – нарушения в расположении атомов в кристаллической решетке.

Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные (малые во всех трех измерениях), линейные (малые в двух измерениях и протяженные в третьем) и поверхностные (малые в одном измерении).

К точечным относятся: ВАКАНСИИ – свободные места в узлах кристаллической решетки;

 ДИСЛОЦИРОВАННЫЕ АТОМЫ - атомы, сместившиеся из узлов в междоузельные промежутки

Рис. 4. Точечные дефекты Учебник, стр. 8, рис. 1. 2, г).

Точечные дефекты производят локальные изменения межатомных расстояний, тем самым искажая кристаллическую решетку, что способствует некоторому упрочнению кристаллов. (и увеличению их электросопротивления).

ЛИНЕЙНЫЕ несовершенства - так называемые ДИСЛОКАЦИИ – это сдвиги, смещения в кристаллической решетке.

Рис. 5. Линейные дефекты -дислокации. Учебник, стр. 9, рис1. 3.

Теория дислокаций дала возможность объяснить огромную разницу между теоретической и практической прочностью металлов.   

Дислокации подвижны, т. к. решетка в их зоне искажена и атомы смещены относительно своего равновесного положения. ( Чем легче перемещаются дислокации, тем ниже прочность материала, тем легче идет пластическая деформация).

Дислокации образуются при кристаллизации, при пластической деформации, при термообработке и т. д.

С увеличением плотности дислокаций (т. е. увеличение их количества в единице объема), их движение постепенно затрудняется (они как бы мешают друг другу, тормозят друг друга), что

требует увеличения прилагаемой нагрузки для продолжения деформации. В результате металл упрочняется.

Из всего сказанного выше сделаем следующий важный ВЫВОД: повышение прочности металлов м. б. достигнуто 2 путями:

 1) Получение металлов с кристаллической решеткой, близкой к идеальной (т. е. без дефектов кристаллического строения – монокристаллы)

2) Наоборот, увеличением числа структурных несовершенств, препятствующих движению дислокаций.

Препятствовать движению дислокаций, т. е. упрочнять металл можно путем введения легирующих элементов, наклепом (обработка давлением для придания формы в холодном состоянии), термической или термомеханической обработкой…

К ПОВЕРХНОСТНЫМ несовершенствам относятся границы зерен металла( малая толщина и значительные размеры в двух других измерениях). Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону ( 5-10 атомных расстояний) с нарушенным порядком расположения атомов. Неупорядоченное строение переходного слоя усугубляется скоплением дислокаций и примесей. Границы зерен препятствуют перемещению дислокаций и являются также местом повышенной концентрации примесей, что обуславливает их существенное влияние на механические свойства.

Рис. 6. Поверхностные несовершенства. Учебник, стр. 11, рис1. 7.

ЧЕМ МЕЛЬЧЕ ЗЕРНО ( при мелком зерне протяженность границ увеличивается, а они в свою очередь препятствуют перемещению дислокаций), ТЕМ ВЫШЕ ПРОЧНОСТЬ металла, одновременно увеличиваются его ПЛАСТИЧНОСТЬ и ВЯЗКОСТЬ.

                                  ИЗОТРОПИЯ  АНИЗОТРОПИЯ

 (изотропность – одинаковость, анизотропность – неодинаковость свойств по разным  напрвлениям)

Аморфные тела, где расположение атомов хаотично и расстояния между атомами по всем направлениям одинаковы, имеют одинаковые свойства при испытаниях по разным направлениям, те. являются изотропными.

В кристалле расстояния между атомами в разных направлениях различно ( вспомни эскизы кристаллических решеток). Поэтому и свойства в разных направлениях различны.

Не одинаковость свойств в зависимости от направления испытания называется а низотропией (частица «а» - отрицание). Таким образом монокристаллы обладают анизотропией.

Реальные металлы  состоят из большого числа кристаллов, хаотично расположенных относительно друг друга, поэтому расстояния между атомами по всем направлениям усредняются и поликристаллы характеризуются изотропностью.

Однако, при обработке металлов давлением, большинство зерен приобретает одинаковую ориентировку (текстуру), поэтому металл становится анизотропным, т. е его свойства вдоль и поперек направления деформации существенно отличаются.                      

                                         КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

В газах отсутствует закономерность в расположении частиц, твердые кристаллические тела имеют правильное строение. В жидкостях определенная ориентировка распространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов.

При охлаждении жидкости, подвижность атомов падает и вблизи температуры кристаллизации образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы как в кристаллах. Эти группировки являются ЦЕНТРАМИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ или ЗАРОДЫШАМИ.

                                       МЕХАНИЗМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ 

Дмитрием Константиновичем Черновым было установлено, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов, протекающих одновременно:

1) зарождение центров кристаллизации (это небольшие группировки атомов в жидком состоянии упакованные также, как и в тв. состоянии);

2) рост кристаллов из этих центров.

Рис. 8. Схема кристаллизации металла. Учебник, стр. 11, рис1. 6.

  Взаимным ростом кристаллов объясняется их неправильная форма. Реальные твердые кристаллы, получившие неправильную форму называются (как мы уже отмечали раньше) ЗЕРНАМИ или КРИСТАЛЛИТАМИ.

От соотношения СКОРОСТИ ЗАРОЖДЕНИЯ и РОСТА зависит размер зерна. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их форма нарушается и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы.

УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ

??? Свойства выше у крупно- или мелкозернистой структуры?

Стремятся к получению мелкозернистой структуры. Оптимальными условиями для этого являются: max число центров и малая скорость роста.

Размер зерен при кристаллизации зависит от числа частичек нерастворимых примесей (оксидов, нитридов, сульфидов) которые являются готовыми центрами. А также от степени переохлаждения: при увеличении степени переохлаждения (например, заливка в холодную металлическую форму – изложницу) число зародышей увеличивается, что приводит к образованию большого количества мелких зерен.

Мелкозернистую структуру можно получить также в результате модифицирования, когда в жидкие металлы добавляют посторонние вещества – модификаторы (для стали – алюминий, ванадий, титан, для чугуна – магний)

                          СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЛИТКА

Схема стального слитка, данная еще Черновым Д. К. имеет следующий вид

Рис. 9. Строение слитка спокойной стали. Учебник, стр. 73, рис. 6. 10.

Слиток состоит из трех зон: 1- мелкокристаллическая корковая зона (mах переохлаждение)

2- зона столбчатых кристаллов; 3- внутренняя зона крупных равноосных кристаллов.

Кристаллизация корковой зоны идет в условиях максимального переохлаждения, скорость кристаллизации определяется большим числом центров кристаллизации. Здесь образуется мелкозернистая структура.

Рост кристаллов во второй зоне имеет направленный характер. Они растут перпендикулярно стенкам изложницы, т. е. в направлении теплоотвода. Рост начинается с осей I порядка, одновременно

на их ребрах происходит зарождение и рост осей II порядка и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка (4, 5, 6) которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис. 10. Схема дендрита по Чернову Д. К. Учебник, стр. 12, рис. 1. 10., а).

Так как теплоотвод (от незакристаллизовавшегося металла) в середине слитка в разные стороны выравнивается, то в центральной зоне образуются крупные дендриты со случайной ориентацией.

В верхней части слитка образуется усадочная раковина, которая подлежит отрезке и переплавке.

                     МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Для решения основной задачи металловедения – определение связи структурой (строением) и свойствами материала используют различные методы, которые подразделяются на две группы: структурные и физические. К структурным относят такие, которые основаны на непосредственном наблюдении строения металлов – это макро-, микроскопический анализ, просвечивающая электронная микроскопия и др..; физические методы исследования основаны на измерении различных физических свойств.

Рассмотрим только металлографические методы исследования

ИССЛЕДОВАНИЕ МАКРОСТРУКТУРЫ (макроанализ). Макроструктурой называют строение металла, видимое без увеличения или  небольшом увеличении ( х 10-30раз). Макроструктуру можно исследовать непосредственно на поверхности металла – в изломе или на макрошлифе. Изучение излома называют фрактографией. По излому можно судить о размере зерна, особенностях литья, сварки, проката, выявить макродефекты, классифицировать характер разрушения (определить дефект технологический или эксплуатационный).

Макрошлифом называют поверхность образца (темплета), подготовленную для исследования макроструктуры. Темплет вырезают в определенном месте, которое подвергают исследованию. Поверхность темплета шлифуют ( на шлифовальном станке, а также вручную) с помощью шлифовального круга или грубой шлифовальной шкурке, промывают, обсушивают, подвергают травлению и исследуют. Места скопления примесей, различные несплошности ( поры, раковины, трещины) и др. дефектные участки структурно травятся сильнее и выглядят темнее остальных участков.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ (микроанализ) применяют для определения микроструктуры и выявления микродефектов - микротрещин, микропор, для обнаружения неметаллических включений (сульфидов, оксидов…) и т. д. с помощью металлографических (принцип отраженного света) микроскопов ( х до 2000 раз) и электронных микроскопов            ( х 200 000 раз). Шлифы для металлографических микроскопов приготавливают также, как и для макроанализа. Однако после шлифования ( шлифование проводят последовательно на нескольких шлифовальных шкурках, начиная с более крупной и заканчивая шлифовать на шкурке с мелким абразивом), шлиф для микроанализа до зеркального блеска полируют. После полировки образец промывают водой, просушивают фильтровальной бумагой и протравливают (при необходимости) различными реактивами.

                                                    СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Металлы обладают следующими свойствами: физическими (температура плавления, плотность, теплопроводность и т. д. ), химическими ( способность вступать в химическое взаимодействие…), технологическими ( способность подвергаться различным способам обработки: резанием, давлением и т. д. ) и механическими (c войства, характеризующие способность металлов сопротивляться воздействию внешних сил)

     ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Технология материалов представляет собой совокупность современных знаний о способах производства материалов и средствах их переработки в целях изготовления изделий различного назначения. Металлы и сплавы производят путем выплавки при высоких температурах из различных металлических руд. Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называется металлургией. Полимеры (пластмассы, резина, синтетические волокна) изготовляются чаще всего с помощью процессов органического синтеза. Исходным сырьем при этом служат нефть, газ, каменный уголь.

Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки из металлов и сплавов производятся путем литья или обработки давлением. Литейное производство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленного металла в специальную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изделия. Различают литье в песчаные формы (в землю) и специальные способы литья. Песчаные литейные формы изготовляются путем уплотнения формовочных смесей, основой которых является кварцевый песок. К специальным способам относится литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье, литье в оболочковые формы, литые по выплавляемым моделям. Кокиль - это специальная металлическая форма. При литье под давлением заливка металла в металлическую форму и его застывание происходит под избыточным давлением. При центробежном литье металл заливается во вращающуюся металлическую форму. Оболочковые формы состоят из мелкого песка со связующим. При литье по выплавляемым моделям керамическая форма изготовляется путем погружения модели из легкоплавкого материала (парафина, стеарина) в керамическую суспензию и последующей выплавки мо дели из формы. Сплавы, предназначенные для получения деталей литьем, называются литейными.

Обработкой металлов давлением называют изменение формы заготовки под воздействием внешних сил. К видам обработки металлов давлением относятся прокатка, прессование, волочение, ковка и штамповка. Прокатка заключается в обжатии заготовки между вращающимися валками. При прессовании металл выдавливается из замкнутого объема через отверстие. Волочение заключается в протягивании заготовки через отверстие. Ковкой называется процесс свободного деформирования металла ударами молота или давлением пресса. Штамповкой получают детали с помощью специального инструмента - штампа, представляющего собой металлическую разъемную форму, внутри которой расположена полость, соответствующая конфигурации детали. Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой давлением, называют деформируемыми.

Сравнительно новым направлением производства металлических деталей является порошковая металлургия, которая занимается производством деталей из металлических порошков путем прессования и спекания.

Изделия из пластмасс получают путем прессования, литья или выдавливания. Резиновые изделия получают обработкой между вала ми (каландрированием), выдавливанием, прессованием или литьем с последующей вулканизацией (см раздел 7. 2. ). Изделия из керамических материалов получают путем формования и обжига или прессования и спекания.

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений материалов путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом), а также пластмассы.

Заключительной стадией изготовления изделий часто является обработка резанием, заключающаяся в снятии с заготовки режущим инструментом слоя материала в виде стружки. В результате этого заготовка приобретает правильную форму, точные размеры, необходимое качество поверхности.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость - это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов подаваться обработке режущим инструментом.

                 МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

                       Пластическая деформация и механические свойства.

Деформация – это изменение формы и размеров изделия под действием напряжений.

Деформация бывает УПРУГОЙ, исчезающей после приложения нагрузки и ПЛАСТИЧЕСКОЙ –

остающейся после снятия нагрузки. При упругой деформации под действием приложенной нагрузки расстояние между атомами в кристаллической решетке изменяется ( при растяжении - атомы удаляются, а при сжатии – сближаются). Изменение межатомного расстояния мало, и после снятия нагрузки под действием межатомных сил притяжения (или отталкивания – это зависит от вида нагрузки), атомы становятся на свои места.  

При пластической деформации происходит СКОЛЬЖЕНИЕ (СДВИГ) одной части кристалла относительно другой по определенным плоскостям кристаллической решетки. Для того, чтобы произвести сдвиг одной части кристалла относительно другой в идеальном кристалле, понадобилось бы очень большое усилие. Реальная же прочность металла значительно ниже теоретической за счет имеющихся дефектов – дислокаций. Процесс скольжения в кристалле реального металла происходит не путем одновременного сдвига всей атомной плоскости, а путем перемещения дислокаций вдоль плоскости скольжения.  

С увеличением в металле числа дислокаций прочность сначала понижается. А затем повышается.  ??? Упрочнение металла при избытке дислокаций объясняется темя, что они препятствуют перемещению друг друга и затрудняют пластическую деформацию.

                                                      НАКЛЕП и РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ

Упрочнение металла в результате холодной деформации называется НАКЛЕПОМ. При наклепе прочность и твердость увеличиваются, но пластичность снижается. Большая степень деформации приводит к изменению формы и соотношения размеров зерен.

      До деформации                                                                   После деформации

Рис. 11. Влияние пластической деформации на структуру металла. Учебник, стр. 19, рис. 2. 3.

        Волокнистое строение и наклёп могут быть устранены при нагреве металла. Частичное снятие наклёпа происходит уже при небольшом нагреве ( до 300 – 400 С для железа). Но волокнистая структура при этом сохраняется. При нагреве до более высокой температуры в металле происходит образование новых равноосных зерен. Этот процесс называется рекристаллизацией. Наклёп при этом снимается полностью.

          Температура, при которой начинается процесс рекристаллизации называется температурой рекристаллизации. Абсолютная температура рекристаллизации Тp связана с абсолютной температурой плавления простой зависимостью:

                                     Тp = а * Тпл.

                                                        Где: а – коэффициент, зависящий от состава и структуры металла.

      Для особо чистых металлов а = 0, 2, для металлов технической чистоты а = 0, 3 – 0, 4, для сплавов а = 0, 5 – 0, 6.

           Если деформирование металла происходит при температуре, которая выше температуры рекристаллизации, то наклёп после деформации не возникает. Такая деформация называется горячей. При горячей деформации идут одновременно процессы упрочнения и рекристаллизации. Деформация, которая происходит ниже температуры рекристаллизации, называется холодной.

                              Методы испытания механических свойств

В зависимости от способа приложения нагрузки. Методы испытания делят на 3 группы:  

- СТАТИЧЕСКИЕ, когда нагрузка возрастает медленно и плавно: испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость;

- ДИНАМИЧЕСКИЕ, когда нагрузка увеличивается с большой скоростью: испытания на ударный изгиб;

- ЦИКЛИЧЕСКИЕ - нагрузка  в процессе испытания многократно изменяется по значению 6 испытания на усталость (долговечность). Усталость – разрушение материала при многократных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести (при этом происходит постепенное накопление повреждений в металле, зарождение усталостной трещины, ее последующее развитие во времени).

На методы механических испытаний установлены ГОСТы.

                                                   Испытание на РАСТЯЖЕНИЕ

Проводят на разрывной машине. Цилиндрический или плоский образец зажимают (в струбцинах) с двух сторон и производят растяжение образца, постепенно увеличивая нагрузку. При этом длина образца увеличивается (так называемое удлинение). Испытания проводят до разрыва образца. Чтобы результаты не зависели от размеров образца, ДИАГРАММУ РАСТЯЖЕНИЯ cтроят в относительных координатах.

                                        σ - растягивающее напряжение. σ = F/Sо,

где F - нагрузка,

                                                Sо – начальная площадь поперечного сечения.;

                                       Ε - относительна деформация, Ε = ∆ l /lо,

                                                                  Где ∆ l –изменение длины образца (абсолютное удлинение

    Рис. 12. Диаграмма растяжения.                                 Единицы измерения: σ – Мпа, δ, φ - %

                   Учебник, стр. 21, рис. 2. 6.        

От начала нагружения до точки σ пц зависимость прямая – удлинение пропорционально прилагаемой нагрузке. σ пц - Предел ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ. Если нагрузка вызывает в образце напряжения меньше σ пц, то после снятия нагрузки размеры образца полностью восстанавливаются.

При σ > σ пц возникает остаточная деформация. Напряжение, при котором возникает относительное остаточное удлинение ∆ l/lо≤ 0-0, 005 (т. е. очень малых значений) – называют УСЛОВНЫМ пределом УПРУГОСТИ (σ 0, 02, σ 0, 005).

При дальнейшем росте нагрузки, кривая (для пластичных металлов) имеет горизонтальный участок (т. е. деформация увеличивается при постоянном напряжении). Металл как бы течет, это напряжение σ т – предел ТЕКУЧЕСТИ. Если площадка текучести отсутствует, то за предел текучести принимают ПРЕДЕЛ ТЕКУЧЕСТИ УСЛОВНЫЙ σ 0, 2, при котором остаточное удлинение Е =∆ l/l= 0, 2%.

Еще большее увеличение нагрузки вызывает рост напряжений в образце, которые достигают максимальное значение, называемое σ В – пределом ПРОЧНОСТИ (или временное сопротивление разрыву). При этом напряжении образуется шейка – местное утонение.    В точке σ к происходит разрыв образца.

   При испытаниях на растяжение определяют также ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ.:

- относительное УДЛИНЕНИЕ δ =lк – lо/ lо х 100%; lк, о – конечная, начальная длина рабочей части образца.

- относительное сужение      ψ = Sо- Sк / Sо х 100%, где S о, к - начальная и конечная площадь поперечного сечения образца.

                                    ИСПЫТАНИЯ НА ТВЕРДОСТЬ

ТВЕРДОСТЬ - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Наиболее простым способом является царапание твердым надфилем по поверхности. На металле с малой твердостью остается хорошо видимая царапина. Но конечно этот метод не точен.

Из множества методов измерения твердости наибольшее применение нашли следующие способы: метод Бринелля, метод Роквелла, метод Виккерса, а также измерение микротвердости на микротвердомере.

Определение твердости по Бринеллю. В поверхность исследуемого металла вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 2, 5,  5 или 10мм. На поверхности остается отпечаток –лунка. Число твердости по Бринеллю НВ = F/Sотп, где F – нагрузка на шарик, Н(ньютон),

Sотп- площадь отпечатка от шарика, мм 2. Практически величину твердости НВ не рассчитывают, а выбирают по таблицам в зависимости от диаметра отпечатка, который определяют с помощью специальной лупы с делениями. Нагрузка F, устанавливаемая на твердомер Бринелль зависит от материала образца и диаметра шарика. ??? ( Чем выше предполагаемая твердость, тем больше диаметр шарика и нагрузка). При диаметре шарика 10мм нагрузка д. быть 30кН (3000кгс). Пример обозначения твердости: НВ 185. При применении других диаметров и нагрузок их величину проставляют через дробь после символа НВ –НВ _5/750 185.

Для углеродистых сталей примерно можно использовать следующую зависимость: σ В = 0, 3 НВ (если НВ185, σ В = 185 х 0, 3 = 60 кгс/мм2 = 600МПа). Методом Бринелля испытывают материалы твердостью не более НВ450 (при более высокой твердости шарик деформируется и замеры становятся неточными).

Определение твердости по Роквеллу. В зависимости от твердости испытуемого материала, используют наконечники двух типов:

- стальной закаленный шарик диаметром 1, 58мм при нагрузке 1000Н. В этом случае используется красная шкала прибора В и твердость обозначается НRВ( 64…102); применяется для образцов малой и средней твердости.

- алмазный конус с углом при вершине 120 градусов при нагрузке:

1500Н – шкала С черная, обозначение НRС (1-72); применяется для испытания твердых материалов.

600Н- шкала А черная, обозначение НRА; применяется для очень твердых металлов и для тонких образцов.

При этом методе измеряют глубину проникновения наконечника под действием суммарной нагрузки (нагрузку прилагают в две стадии –предварительная и окончательная). Число твердости по Роквеллу – число отвлеченное и выражается в условных единицах ( за единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0, 002 мм - 2мкм). Существует факультативный (примерный) пересчет значений твердости по Бринеллю и Роквеллу: НRС=НВ/10. Метод Роквелла широко применяется, т. к. 1). можно измерять очень мягкие и очень твердые материалы; 2). метод прост в применении; 3) величина отпечатков мала, поэтому можно контролировать твердость на готовых изделиях.

Определение твердости по Виккерсу. В поверхность образца вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 градусов, при нагрузках 10-1000Н (т. е. большой интервал нагрузок). Твердость определяют по диагонали отпечатка и обозначают НV. Можно измерять как мягкие, так и твердые материалы. Данный метод можно применять для тонких сечений и твердых поверхностных слоев (за счет того, что можно выбрать маленькую нагрузку, для предотвращения продавливания тонких сечений и слоев).

Значения твердости по Виккерсу до 400 единиц очень близко совпадают со значениями твердости по Бринеллю.

Существуют таблицы с ориентировочным переводом значений твердости, определяемых различными методами.

	Метод Бринелля	Метод Роквелла	Метод Виккерса
Преимущества	Достаточная точность; минимальные требования к чистоте по сравнению с другими методами.	Можно исполь 1234567Следующая ⇒ Поделиться: Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...