ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Строение и свойства материалов

2.1.1 Строение материалов. Химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и плазменном. Это зависит от условий, в которых они находятся, и, главным образом, от температуры и давления, при изменении которых меняются межмолекулярные расстояния и взаимодействия.

В жидком и твердом состоянии молекулы вещества (атомы) находятся значительно ближе друг к другу, чем в газообразном, а следовательно, их взаимодействие сильнее. Это обусловливает способность сохранения жидкостями и твердыми веществами объема, в отличие от газов.

Атомы жидкого тела при тепловом движении совершают малые колебания вокруг своих равновесных положений и частые перескоки из одного равновесного положения в другое, что и определяет такое свойство жидкости, как текучесть.

В природе существуют и аморфные тела, например воск, битум, янтарь. Их структура не является кристаллической решеткой, но они не являются и жидкостями. Аморфные тела с точки зрения теории термодинамики находятся в неустойчивом состоянии. Их можно считать сильно загустевшими жидкостями, которые с течением времени должны закристаллизоваться. Аморфные тела при нагревании вначале размягчаются. Они не имеют четко выраженной температуры перехода в жидкое состояние.

Атомы твердого тела, которому характерна постоянная форма, совершают вокруг своих равновесных положений только малые колебания. Это приводит к правильному расположению атомов — на одинаковых расстояниях в значительном удалении друг от друга. Такое расположение атомов с характерной повторяемостью в пространстве и определяет строение кристаллической решетки ( рисунок 2.1 ).

Рисунок 2.1 Пример кристаллической решетки с элементарной кристаллической

ячейкой (жирные линии)

Элементарные кристаллические решетки по признаку симметрии делятся на семь сингоний, каждая из которых характеризуется определенным соотношением между длинами рёбер и углами между ними:

– кубическая (рисунок 2.2, а);	– триклинная (рисунок 2.2, д);
– тетрагональная (рисунок 2.2, б);	– тригональная (рисунок 2.2, е);
– ромбическая (рисунок 2.2, в);	– гексагональная (рисунок 2.2, ж)
– моноклинная (рисунок 2.2, г);

Рисунок 2.2 Кристаллографические сингонии

2.1.2 Понятие о числе атомов в элементарной ячейке кристаллической решетки. Порядок расположения атомов в кристаллической решетке для разных металлов не одинаков. Большинство металлов могут иметь высокосимметричные кристаллические решетки трех видов: объемно-центрированную кубическую – ОЦК, ( рисунок 2.3, а ); гранецентрированную кубическую – ГЦК, ( рисунок 2.3, б ); гексагональную плотноупакованную – ГПУ, ( рисунок 2.3, в ).

Расстояния между соседними атомами (размеры а и с на рисунке 2.3 ) определяют параметры кристаллической решетки. Атомы могут располагаться как в вершинах элементарной ячейки, так и в узлах кристаллической решетки.

Рисунок 2.3 Кристаллические решетки металлов

В первом случае элементарные ячейки называются простыми, во втором — сложными. Если форма элементарной ячейки определена и известно расположение всех атомов, то имеется полное описание кристалла, т. е. известна его атомно-кристаллическая структура.

Таким образом, кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку с определенным расположением атомов.

Точечное расположение атомов в кристаллических решетках условно. В действительности же атомы имеют определенный размер и могут соприкасаться друг с другом ( см. рисунок 2.3 ).

Кристаллические решетки ОЦК, ГЦК и ГПУ имеют несколько вариантов расположения атомов и для удобства обозначаются буквой и цифрой, например:

К8 – кубическая объемно-центрированная с атомами в вершинах условного куба (8 штук);

К12 – кубическая гранецентрированная – 8 атомов в вершинах +4 атома в гранях;

Г12 – гексагональная плотноупакованная с атомами в вершинах условной шестигранной призмы (элементарной ячейке) и т.д.

Однако, необходимо иметь в виду, что такое распределение очень условно, т.к. атомы в вершинах и на гранях элементарных ячеек принадлежат одновременно не одной ячейке, а ряду смежных ячеек.

2.1.3 Строение кристаллов и аллотропические превращения в металлах.

Металл состоит из большого числа мелких кристаллитов (зёрен). Кристаллические решетки отдельных зерен ориентированы относительно друг друга случайным образом. Такое твердое тело называется поликристаллом. Поверхности раздела зёрен называются границами. Если расплавленный металл медленно охлаждать, то можно получить монокристалл – единичный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

Природные кристаллы не располагают строгим расположением атомов, то есть имеют отклонения, называемые дефектами.

Дефекты могут быть точечными, линейными (одномерными), поверхностными (двумерными) и объемными (трехмерными).

К точечным дефектам относятся пустые узлы (вакансии) ( рисунок 2.4, а ) в кристаллической решетке; межузельные атомы — атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки ( рисунок 2.4, б ); привесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла.

К линейным дефектам относят дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей, в результате чего возникает сдвиг кристаллической решетки ( рисунок 2.4, в ).

Рисунок 2.4 Дефекты кристаллических решеток металлов

Поверхностными дефектами считаются субзерна (блоки) ( рисунок 2.4, г ) и различная ориентация кристаллических решеток ( рисунок 2.4, д ).

Объемные дефекты характеризуются размерами в трех измерениях. К ним относятся трещины, поры и т. д.

Атомы находятся в непрерывном движении около равновесного равновесного положения, т. е. происходит колебание, амплитуда которого с повышением температуры увеличивается.

Это вызывает расширение кристаллов, а при достижении температуры плавления колебания усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой вид. Это называется аллотропией или полиморфизмом.

Различные кристаллические формы одного металла называются аллотропическими или полиморфными модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита ( α, β, γ, δ ит. д.):

α обозначает модификацию, существующую при самой низкой температуре;

β – модификацию с более высокой температурой и т. д.

Аллотропическое превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагревании). Аллотропический процесс на кривой нагревания/охлаждения изображается горизонтальной линией.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. На рисунке 2.5 показаны характеристики полиморфного процесса для чистого железа. При нагревании фазовые превращения сопровождаются выделением теплоты.

Рисунок 2.5 Кривые нагревания/охлаждения при полиморфном

Процессе для чистого железа

Железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 910°С железо имеет объемно центрированную кубическую решетку ( α -железо), при температуре 768°С на кривой нагревания/охлаждения видна ступень, которая вызвана не перестройкой решетки, а потерей железом магнитных свойств. При температуре выше 910°С — α -железо.

В интервале температур 910—1400°С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку ( γ -железо). Высокотемпературная модификация железа, устойчивая при температурах от 1400 до 1539°С, имеет также объемно-центрированную кубическую решетку, но называется δ -железо.

Подобные аллотропические превращения происходят и с другими металлами, но при иных критических температурах.

2.1.4 Свойства металлов и сплавов. Свойства металлов и сплавов можно сгруппировать по разным признакам.

Физические свойства материалов (их показатели):

· цвет;

· плотность;

· теплопроводность;

· температура плавления;

· электропроводность;

· магнетизм;

· расширение при нагревании.

К химическим свойствам материалов относится межатомное взаимодействие материала с другими веществами.

Механические свойства материалов:

· прочность;

· твердость;

· упругость;

· пластичность;

· вязкость.

Рассмотрим подробнее понятия этих свойств.

Физические свойства.

Цвет металла (сплава) является одним из показателей, позволяющих судить о его свойствах. При нагревании металла по цвету поверхности можно примерно определить, до какой температуры он нагрет. Это используется при сварочных работах. Однако некоторые металлы (например, алюминий) при нагревании не изменяют цвет. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем неокисленного.

Плотность – отношение массы вещества к его объему. Плотность материала является одной из важнейших его характеристик, которая учитывается при проектировании, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими.

Теплопроводность (теплообмен) – способность материала переносить тепловую энергию при неравномерном нагревании, имеет атомно-молекулярный характер, измеряется в Вт/(м * К).

Температура плавления – температура, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы имеют постоянную температуру плавления.

Электропроводность – способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля. Так как в автомобилях и других транспортных средствах используются в основном металлические детали, электрическая сеть автомобилей выполняется по однопроводной схеме, вторым проводом является сам автомобиль, т. е. его «масса».

Магнитные свойства металлов широко используются в электрооборудовании автомобиля (генераторе, системе зажигания, электродвигателях, контрольно-измерительных приборах).

Способность металлов расширяться при нагревании – важное свойство, которое также учитывается при конструировании. Например, при сварке происходит местное нагревание лишь небольшого участка, и так как деталь в различных частях имеет не одинаковую температуру, то она деформируется. Детали, изготовленные из разных материалов, при нагревании расширяются по-разному. Это тоже может привести к деформациям и даже к разрушению конструкции.

Усадка – уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. Вследствие усадки сварного шва, например, происходит коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Чем больше усадка, тем труднее получить качественное соединение.

Механические свойства.

Механические свойства материалов, как правило, являются основными показателями, которые определяют его пригодность в различных условиях эксплуатации.

Прочность – способность материала в определенных условиях и пределах не разрушаться, воспринимая те или иные воздействия (нагрузки, неравномерное нагревание, магнитные и электрические поля).

Твердость – способность материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

Упругость – свойство тела восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешней силы (нагрузки, нагревания). Большой упругостью, например, должны обладать рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.

Пластичность – способность тела необратимо изменять форму (деформи-роваться) под действием механических нагрузок. Пластичность – свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность металла, тем он легче куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстро возраста-ющим (ударным) нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали несущей системы, подвески, колес автомобилей).

Химические свойства.

Химические свойства металлов характеризуют их способность вступать в соединение с различными веществами (химическими элементами), и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с различными химическими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов вслед-ствие химического воздействия среды называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали: коррозионно- и кислотостойкие.

Технологические свойства.

Совокупность физических, механических и химических свойств оказывает влияние на технологические свойства материала.

Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.

Свариваемость – свойство металлов создавать доброкачественные соедине-ния при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно – другим. Например, дюралюминий хорошо сваривается точечной сваркой и плохо – газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо – дуговой и т. д.

Жидкотекучесть – способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литейную форму.

Ковкость – способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.

Обрабатываемость резанием – способность металла обрабатываться путем механической обработки (резание, фрезерование и т. д.), т. е. острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.).

Контрольные вопросы:

1. Что такое элементарная ячейка кристаллической решетки?

2. По какому признаку кристаллические решётки подразделяются на сингонии?

3. Какие виды решёток в основном присущи металлам?

4. Какие виды дефектов кристаллических решёток вам известны?

5. Что такое «аллотропия металлов»?

6. Назовите основные группы свойств металлов и сплавов.

7. Какие свойства относятся к физическим? механическим? химическим? технологическим

2.2 Методы определения различных показателей и свойств материалов

2.2.1 Механические испытания. Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие – удары, третьи – нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Различают статические и динамические испытания.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, ударную вязкость. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и изнашивание, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

2.2.2 Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение – распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние, материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний используют, как правило, круглые образцы 7 ( рисунок 2.6 ) или плоские 2 (листовые). Образцы имеют рабочую часть и головки, предназначенные для закрепления их в захватах разрывной машины.

Рисунок 2.6 Образцы для статических испытаний на растяжение

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины l₀ к начальному диаметру d₀ ( l₀/d₀ ) называется кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2, 5; 5 и 10. Самым распространенным является образец кратностью 5.

Расчетная длина l₀ берется несколько меньше рабочей длины l₁. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. В тот момент, когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рисунке 2.7 представлена схема испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

1 – основание; 2 – винт;

3 – нижний захват (активный);

4 – образец;

5 – верхний захват (пассивный);

6 – силоизмерительный датчик;

7 – пульт управления с электроприводной аппаратурой;

8 – индикатор нагрузок;

9 – рукоятка управления;

10 – диаграммный механизм; 11 – кабель

Рисунок 2.7 Схема испытательной машины

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения ( рисунок 2.8 ) в координатах нагрузки Р; Δ l – абсолютное удлинение образца. На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка:

– участок ОА (прямолинейный) соответствует упругой деформации (такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорциональности);

– участок АВ (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при возрастании нагрузки;

– участок ВС (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при снижении нагрузки.

Рисунок 2.8 Машинная диаграмма растяжения пластической стали

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появится небольшой горизонтальный участок АА', называемый площадкой текучести. Образец удлиняется без увеличения нагрузки – металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали, а также для некоторых марок латуни. На диаграммах растяжения высокоуглеродистых сталей нет площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.

При растяжении определяют показатели прочности и пластичности материалов.

2.2.3 Показатели прочности материалов характеризуются напряжением с, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерных точках диаграммы растяжения).

К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся: предел текучести, условный предел текучести, предел прочности.

Предел текучести σ _Τ , МПа — наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

σ _Τ = P_T /F_O (2-1)

где P_T – нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения;

F_O – площадь поперечного сечения образца до испытания.

Условный предел текучести σ ₀₂, МПа – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0, 2 % от начальной расчетной длины образца.

Предел прочности σ _в, МПа – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрыву образца:

σ _B = P_max /F_O (2-2)

2.2.4 Показатель пластичности. Пластичность – одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Наиболее часто используются следующие показатели пластичности.

Относительное удлинение δ, % – наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или другими словами, отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Δ l_р до нагрузки Р_max к ее первоначальной длине:

δ = (Δ l_р/ l₀ )*100=[(l_р– l₀) / l₀]*100 (2-3)

Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное сужение Ψ (%) площади поперечного сечения:

Ψ = (Δ F_р / F_O)*100 = [(F_р– F₀) / F₀]*100 (2-3)

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки нулю; у пластичных материалов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости Е (Па) характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации и представляет собой отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е=σ / δ (2-4)

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют показатели прочности ( σ _т, σ _{0 2}, σ _в) и показатели пластичности ( δ и Ψ ).

2.2.5 Испытания на твердость. Твердость – свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении твердосплавного наконечника (индентора) в его поверхность. Испытания на твердость – самый доступный и распространенный способ механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость методом Бринелля в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр d отпечатка ( рисунок 2.9, а ).

Число твердости по Бринеллю ( НВ ) подсчитывается по формуле:

НВ= Р/F (2-5)

где: Р – нагрузка на шарик, Н; F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм².

Определенная нагрузка соответствует конкретному значению твердости. Так, при определении твердости стали и чугуна нагрузка на шарик Р= 30D²; для меди, ее сплавов, никеля, алюминия, магния и их сплавов – Р= 10D²; для баббитов – Р= 2, 5 D².

Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края образца – не меньше D.

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью 4500 НВ. Если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытаний тонколистового материала.

Если твердость по Бринеллю испытывалась шариком диаметром 10 мм и нагрузкой в 29—430Н, то число твердости обозначается цифрами, характеризующими значение твердости, и буквами « НВ », например 185НВ.

Если испытания проходили при других условиях, то после букв « НВ » указывают эти условия: диаметр шарика ( мм ), нагрузка ( кгс ) и продолжительность выдержки под нагрузкой ( с ): например 175НВ5/750/20.

Этим методом можно испытывать материалы твердостью не более 450НВ.

При испытании на твердость методом Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом 136° при вершине ( рисунок 2.9, б ).

После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка. Число твердости по Виккерсу ( НV ) подсчитывается по формуле

НV= 1, 854 Р/d² (2-6)

где Р – нагрузка, Н; d – среднее арифметическое значение обеих диагоналей отпечатка, мм.

а – по Бринеллю;

б – по Виккерсу;

в – по Роквеллу

Рисунок 2.9 Схемы испытаний на твердость

Число твердости по Виккерсу обозначается буквами « НV » с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости ( кгс/мм² ) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10 – 15с, а для цветных металлов 30с. Например, 450 НV 10/15 означает, что твердость по Виккерсу 450 получена при Р=10кгс, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость методом Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120° при вершине или стальной шарик диаметром 1, 588мм. Однако согласно этому методу за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания методом Роквелла показана на рисунке 2.0, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁ но оставляют предварительную нагрузку Р₀.

При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность ( h - h₀ ) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0, 002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Твердость, определенная методом Роквелла, обозначается буквами « НR ». Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляются буквы: А, С, В, обозначающие соответствующую шкалу измерений.

Метод Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса имеет преимущество, которое заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно индикатором, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

В методе Роквелла для испытания и обозначения твердости используют три шкалы: А, В и С.

1. Шкалой В пользуются при измерении твердости мягких металлов (незакаленные стали, цветные металлы и их сплавы); нагрузка на шарик составляет 1000 Н; твердость в этом случае обозначается HRB.

2. Шкала С применяется при испытании твердость незакаленных сталей ( HRC ) нагрузка на шарик составляет 1500 Н.

3. Шкалой А пользуются при испытании изделий после химико-термической обработки и для твердых сплавов ( HRA ); нагрузка на алмазный наконечник составляет 600 Н.

2.2.6 Технологические испытания или пробы металлов проводятся с целью определения способности металлов воспринимать деформацию, подобную той, которой он должен подвергаться в условиях обработки или эксплуатации. Технологические пробы металлов проводят:

· на осадку;

· сплющивание;

· навивание проволоки;

· загиб, перегиб;

· выдавливание;

· свариваемость;

· развертывание фасонного материала и др.

Технологические пробы металлов во многих странах (в том числе и России) стандартизованы. Технологические пробы не дают численных данных. Оценка качества металла при этих испытаниях производится визуально по состоянию поверхности металла после испытания.

Например, для оценки качества труб проводят технологические испытания на расширение, плющевание, разбортовку, растяжение и расширение кольца, а также гидравлическим давлением.

К параметрам (свойствам) металлов при технологических испытаниях относятся: штампуемость, прокатываемость, прошиваемость, свариваемость, испытания на перегиб, на усадку, и сплющивание.

2.2.7 Методы исследования строения и структуры металлов и сплавов. Такие испытания проводятся для получения более полной информации о строении металлов и зависимости свойств от структуры кристаллической решетки.

Кроме того, знания этих зависимостей позволяет разрабатывать методы получения металлов и сплавов с заранее запланированными свойствами.

Среди множества методов исследования можно выделить:

· макроанализ;

· микроанализ;

· рентгенографический анализ;

· магнитную и ультразвуковую дефектоскопию;

· радиографический анализ;

· дилатометрию.

Макроанализ предполагает внешнее визуальное исследование образцов с использованием простейших приборов, например, лупы (увеличение до 30 раз).

Макроанализ позволяет определить:

· нарушение сплошности металла (усадочная рыхлость, газовые пузырьки и раковины, пустоты, трещины, флокены, дефекты сварки);

· дендритное строение;

· химическую неоднородность сплава (ликвацию);

· неоднородность строения сплава после обработки давлением;

· неоднородность после термической или химико-термической обработки.

Для исследований изготавливают образцы, называемые микрошлифами – тонкие пластинки металлов и сплавов, специального сечения и хорошо обработанные методами шлифования, полирования, хонингования.

В макроанализе также используется исследования образцов на изломе, например, после испытаний на ударную нагрузку при разрушении образца.

Микроскопический анализ выполняют с применением специальных приборов с большим увеличением – микроскопов (увеличение от 10 до 3000 раз). Такое исследование позволяет определить размеры и расположение различных фаз, присутствующих в сплавах, если размеры частиц этих фаз не менее 0, 2 мкм. Многие фазы в сплавах имеют размеры – 10^-4…10^-2 см, и могут быть различимы микроскопе.

С помощью микроанализа можно определить:

· величину зерен чистых металлов и однофазных сплавов;

· наличие дендритного строения слитков;

· число и форму структурных составляющих;

· загрязненность примесями.

Наиболее современными являются методы неразрушающего контроля с помощью рентгенографии, магнитной и ультразвуковой дефектоскопии, радиографических методов – с помощью изотопов слаборадиоактивных элементов.

Контрольные вопросы:

1. Какие виды механических испытаний вам известны?

2. Для чего проводятся испытания на растяжение? прочность? твердость?

3. Назовите области применения испытаний на твердость методов Бринелля, Виккерса, Роквелла.

4. Какие характеристики материалов можно определить с помощью технологических испытаний?

5. Какие методы исследования строения и структуры металлов и сплавов вам известны?

Основы теории сплавов

2.3.1 Общие понятия и определения. Сплавом называют материал, образующийся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух или нескольких компонентов.

Сплав считается металлическим, если его основу (свыше 50%) составляют металлические компоненты.

Сплавы, состоящие из двух компонентов, называют двухкомпонентными или двойными. Основу многокомпонентных сплавов составляют двухкомпонентные сплавы.

Характер взаимодействия компонентов при сплавлении зависит от таких факторов, как особенности строения электронных оболочек их атомов, вид кристаллической решетки, температура плавления.

В зависимости от взаимодействия компонентов сплавы можно классифицировать следующим образом:

· смеси зёрен с ограниченной растворимостью, т.е. механические смеси;

· растворы с неограниченной растворимостью компонентов, т.е. твердые растворы;

· химические соединения компонентов.

Механическая смесь представляет собой смесь кристаллов двух компонентов. Механические свойства такой смеси зависят от соотношения компонентов и размеров и форм зёрен. В механической смеси нет химического взаимодействия между компонентами.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒