Лекции по "Материаловедение"

Таблица 7.1.Шкалы для  определения твердости по Роквеллу

 

 

Метод Виккерса 

 

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение  приложенной нагрузки P к площади  поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа  в том, что можно измерять твердость  любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс

 

 

Метод царапания. 

 

Алмазным конусом, пирамидой или  шариком наносится царапина, которая  является мерой. При нанесении царапин  на другие материалы и сравнении  их с мерой судят о твердости  материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину. 

 

Динамический метод (по Шору) 

 

Шарик бросают на поверхность с  заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала  поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой  материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической  обработкой и другими внутренними  факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).  

 

Влияние температуры. 

 

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре выше Т_в предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

Прт температуре ниже Т_н сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную  кубическую и гексагональную плотноупакованную  кристаллическую решетку.

Рис. 7.2. Влияние  температуры на пластичное и хрупкое  состояние 

 

Способы оценки вязкости.  

 

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с  надрезами определенной формы и  размеров. Образец устанавливают  на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)

 

Рис.7.3. Схема испытания на ударную  вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается  работа:

где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), - удельная работа разрушения.

где: F₀ - площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости  и определения критических порогов  хладоломкости.

Испытывают серию образцов при  различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный  интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной  прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации. 

 

Оценка вязкости по виду излома. 

 

При вязком состоянии металла в  изломе более 90 % волокон, за верхний  порог хладоломкости Т_в принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Т_н принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40^oС.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

 

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение  трецины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона  “долома“, живое сечение уменьшается,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое 

 

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца 

 

Характеристики усталостной прочности  определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б) 

 

Основные характеристики:  

 

Предел выносливпсти ( – при симметричном изменении нагрузки, – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины. 

 

Технологические свойства  

 

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала  к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.

Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке  давлением.

Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических  испытаний, проводимых в условиях, максимально  приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб  и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала  поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя. 

 

Эксплуатационные свойства  

 

Эксплуатационные свойства характеризуют  способность материала работать в конкретных условиях.

1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью  учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

 

 

Лекция 8 

Конструкционная прочность материалов. Особенности деформации поликристаллических  тел. Наклеп, возврат и рекристаллизация  

 

1. Конструкционная прочность материалов
2. Особенности деформации поликристаллических тел.
3. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла: наклеп
4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация

 

 

Конструкционная прочность  материалов 

 

В результате испытаний получают характеристики:

• силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, предел прочности, предел выносливости);
• деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);
• энергетические (ударная вязкость).

Все они характеризуют общую  прочность материала независимо от назначения, конструкции и условий  эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто только при  учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и которые определяют ее конструкционную прочность.

Конструкционная прочность  – комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.

На конструкционную прочность  влияют следующие факторы:

• конструкционные особенности детали (форма и размеры);
• механизмы различных видов разрушения детали;
• состояние материала в поверхностном слое детали;
• процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам при работе.

Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном использовании  материала является учет дополнительных критериев, влияющих на конструкционную  прочность. Этими критериями являются надежность и долговечность.

Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.

Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии  трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных процессов и коррозии.

Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость, характеристики пластичности, живучесть.

Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до определенного состояния.

Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных последствий, то есть условиями работы.

Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.

Общими принципами выбора критериев  для оценки конструкционной прочности  являются:

• аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;
• аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура, среда, порядок нагружения;
• аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.

 

 

Особенности деформации поликристаллических тел. 

 

Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла. Пластическая деформация металлов и сплавов как  тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.

Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных  зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются  скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.