Структурные методы исследования.

Лекция №1.

Содержание лекции:

Введение. Задачи курса. Классификация технических материалов. Материалы металлические, неметаллические, композиционные. Содержание элементов в Земной коре. Мировой объем производства основных материалов. Структурные методы исследования. Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных металлических материалов.

Введение. Задачи курса.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов.

Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Классификация материалов.

Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии - прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящем стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Технические материалы принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типуструктуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.

Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Содержание элементов в Земной коре.

Исторически для Техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие:

Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом для использования в технике является Алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Лекция № 2

Затвердевание металлических материалов. Термические кривые охлаждения при кристаллизации металлов. Применение правила фаз. Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла. Материалы аморфного строения и их применение. Полиморфные превращения в металлах. Жидкие кристаллы.

Применение правила фаз.

Металлические материалы применяемые в технике в большинстве случаев являются сплавами.

Сплавом называют вещество, полученное сплавлением нескольких (двух и более) элементов, преимущественно металлических. Строение сплавов более сложно, чем строение чистого металла. В сплаве могут наблюдаться зерна чистых металлов и других компонентов, твердых растворов и химических соединений. Твердыми растворами называют сплав, у которого ионы растворенного элемента расположены в кристаллической решетке растворителя. Твердые растворы разделяются на три типа: замещения, внедрения и вычитания, или твердые растворы на базе химических соединений.

Существуют также упорядоченные твердые растворы.

Совокупность всех сплавов, которые могут быть составлены из заданных компонентов, называют системой сплавов.

Фазой называется однородная часть системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделяющееся от остальных частей системы поверхностями раздела.

Фазы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. В сплаве могут присутствовать несколько фаз. Вещества, образующие систему, называются компонентами. Число степеней свободы (вариантность) системы это число внешних и внутренних факторов (t, P и концентрация С%), которые можно изменять, не изменяя число фаз в системе. Оно определяется правилом фаз:

f = n - K + 2 (5)

где f - число степеней свободы; n - число компонентов; K - число фаз.

Если давление не учитывать: f = n - K + 1

Правило фаз применяется при анализе процессов, совершающихся в сплавах при нагреве и охлаждении для расчета числа фаз в конкретных термодинамических условиях.

Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла.

Кристаллизация происходит с образованием теплового эффекта. От его величины зависит размер зерна.

Rk = [ 4 * σ * Ts / Q] / Δ Τ (6)

где Q - тепловой эффект затвердевания на единицу объема; Ts - температура затвердевания.

Выражение справедливо для гомогенной кристаллизации. Теоретическое число центров кристаллизации значительно ниже числа реально образующихся зародышей. Это связано с присутствием примесей в расплавах. На примесях происходит гетерогенная кристаллизация.

Схема кристаллизации на примеси показана на рис. 10.

Рис. 10. Схема кристаллизации на примеси. На рис. б1- поверхностное натяжение примеси; б2- поверхностное натяжение затвердевшего металла; б3- поверхностное натяжение металла расплава.

Рост кристалла происходит послойным присоединением атомов к зародышу. Обычно б1 больше б2 и -б1+б2 меньше нуля, т.е. с точки зрения энергетики процесса, кристаллизация на примесях более выгодна, чем спонтанная кристаллизация. В реальных процессах примеси являются основными центрами кристаллизации. При перегреве расплавленного металла одна часть примесей расплавляется, другая дезактивируется.

Изменить число центров и размер зерна можно четырьмя методами:

- изменить скорость охлаждения и тем самым величину переохлаждения;

- увеличить или уменьшить перегрев металла перед разливкой;

- ввести в жидкий металл мельчайшие нерастворимые примеси;

- уменьшить путем добавки активных растворимых примесей поверхностное натяжение.

Последние два метода осуществляются при модификации, соответственно гетерогенной и гомогенной. Модифицирование осуществляют введением специальных добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды и оксиды).

Процесс кристаллизации начинается от стенок формы, которые играют туже роль, что и нерастворимые примеси. На поверхности слитков образуется труднообрабатываемый слой из мелких кристаллов, который удаляют в металлургическом переделе (см. лаб. раб. №1).

Жидкие кристаллы.

Жидкокристаллическое состояние - это термодинамически устойчивое агрегатное состояние состояние, при котором вещество сохраняет анизитропию физических свойств, присущую твердым кристаллам, и текучесть, характерную для жидкостей.

Существует ряд соединений, преимущественно органических, обладающих таким комплексом свойств. Например, сложные ароматические эфиры - производные транс-циклогексана, фенилбензоаты; азотметины; азосединения и т.п..

Жидкие кристаллы обладают аллотропическими превращениями, которые не изменяют их жидкого состояния. Превращения наблюдаются при воздействии электромагнитного поля, изменения температуры и давления, и других физических воздействиях. Свойства их также как и у твердых тел скачкообразно изменяются. Жидкие кристаллы используются как оптоэлектронные индикаторы, и материалы комбинированных стеклянных конструкций, где требуется резкое изменение оптических свойств системы, при внешних воздействиях.

Жидкокристаллическое состояние и его уникальные свойства обусловлены способностью некоторых органических молекул, агрегатироваться с другими молекулами, частично создавая упорядоченные структуры - сенергировать. По своей практической значимости особое место занимают нематические жидкие кристаллы, отличающиеся от прочих типов жидких кристаллов одноосной упорядоченностью, при которой молекулы выстраиваются таким образом, что их длинные оси параллельны друг другу.

Лекция № 3.

Строение и свойства типовых двухкомпонентных сплавов. Понятие о физико-химическом анализе. Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Применение правила отрезков. Внутрикристаллическая ликвация.

Лекция № 4

Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическими и перетектическими превращениями. Понятие об эвтектоидном и перитектоидном превращениях. Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение. Механические и технологические свойства сплавов, связь с типом диаграмм состояния. Понятие о трехкомпонентных системах.

Лекция № 5

Фазовые превращения в железоуглеродистых сплавах. Диаграмма железо-цементит. Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов. Кривые охлаждения и анализ фазовых превращений железоуглеродистых сплавов.

Лекция № 6

Строение и свойства чугунов. Диаграмма состояния железо - графит. Фазовые превращения в чугунах. Структура чугунов. Влияние примесей и скорости охлаждения (толщины отливки) на структуру чугунов. Чугуны с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным и хлопьевидным графитом: ЧПГ, ЧШВ, ЧВГ, ЧХГ. Механические свойства чугунов. Антифрикционные и легированные чугуны.

Лекция № 7

Углеродистые и легированные стали. Строение и свойства сталей. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали. Классификация сталей по составу, качеству и структурным классам. Влияние легирующих элементов на структуру и фазовые превращения в стали. Тенденция развития производства стали.

Лекция № 8

Фазовые превращения в сплавах железо - углерод в твердом состоянии. Фазовые превращения при нагреве стали. Рост зерна аустенита. Мелкозернистые и крупнозернистые стали. Понятия о превращениях в переохлажденном аустените (перлитное, бейнитное, мартенситное). Метастабильные структуры. Диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита. Виды термической обработки материалов.

Лекция № 9

Технология термической обработки стали. Полный и нормализационный отжиг. Отжиг на зернистый перлит. Закалка стали. Способы объемной закалки. Влияние термообработки на механические свойства.

Закалка стали.

З а к а л к а - термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Для сталей различают закалку до - и заэвтектоидных сталей. В структуре закаленной стали преобладает мартенсит.

Мартенсит имеет высокую твердость и низкую вязкость, как конструкционный материал не употребляется. Для доэвтектоидных сталей температура закалки должна быть на 30 - 50 град. выше Ас3, а для заэвтектоидных - на 30 - 50 град. выше. При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1, но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной. Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки лежит в интервале между Ас1 и Ас3 и теоретически является неполной. Здесь наряду с мартенситом закалки сохраняется часть оставшегося цементита, наличие которого полезно. Нагрев выше Ас3 приводит к вредным перегреву и обезуглероживанию стали. Закалка бывает объемной (под закалку нагревают насквозь все изделие) и поверхностной (осуществляют местный, чаще поверхностный нагрев).

Способы объемной закалки.

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанном состоянии свойств выбирают оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Рис. 43. Кривые охлаждения для различных способов закалки, нанесенные на диаграмму изотермического распада аустенита.

1. Закалка в одном охладителе. (рис. 43. 1) - здесь нагретую деталь погружают в жидкость, где она остается до полного охлаждения. Способ применяется для геометрически простых деталей из углеродистых и легированных сталей. Охладитель - вода и масло.

2. Прерывистая закалка, или закалка в двух средах. (рис. 43. 2) Деталь сначала охлаждается в быстро охлаждающей среде, а затем в медленно охлаждающей. Вода и масло. В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

3. Струйная закалка - заключается в обрызгивании детали интенсивной струей воды. Обычно применяют, когда нужно закалить часть детали. При этом способе не образуется паровая рубашка, что дает более глубокую прокаливаемость.

4. Закалка с самоотпуском. В обычных закалке и отпуске свойства по сечению детали одинаковы. Для создания требуемого распределения твердости закаливают лишь часть детали, а аккумулированное тепло неохлажденной части проводит отпуск. Такой способ применяют, например, для слесарного инструмента Зубила, молотки, наковальни и т.п.). Распределение твердости достигают, регулируя закалку по цветам побежалости.

5. Ступенчатая закалка. (Рис. 43. 3) Деталь охлаждают в среде, имеющей температуру выше мартенситной точки. Делают выдержку для выравнивания температуры по сечению. Затем проводят медленное охлаждение, обеспечивающие мартенситное превращение. Разбивка на две ступени уменьшает напряжения первого рода, снижает закалочную деформацию. Применяется для крупных изделий.

6. Изотермическая закалка. (Рис. 43. 4) Здесь сталь выдерживается при температуре или в среде, обеспечивающих полное изотермическое превращение аустенита. Обычно 200 - 250 С. Образующаяся структура - бейнит.

Лекция № 10

Прокаливаемость стали. Виды и назначение отпуска. Превращения при нагреве закаленной стали.

Прокаливаемость стали.

Под закаливаемостью понимают максимальное значение твердости, которую может приобрести данная сталь. Под прокаливаемостью подразумевают глубину проникновения закаленной зоны. Несквозная прокаливаемость связана с тем, что деталь быстрее охлаждается с поверхности, чем с сердцевины. Рис. 45.

Рис. 45. Схемы, показывающие различную скорость охлаждения по сечению и в связи с этим несквозную прокаливаемость.

Распределение скорости охлаждения показано на Рис. 45 а. С уменьшением критической скорости закалки увеличивается и глубина закаленного слоя, и если Vk будет меньше скорости охлаждения в центре, то сечение закалится на сквозь. Если сечение велико и скорость на поверхности меньше Vk, то сталь не закалится даже на поверхности. Для практической оценки прокаливаемости используют величину - критический диаметр, т.е. максимальный диаметр (размер) образца, который прокаливается насквозь в данном охладителе. Чем лучше свойства охладителя тем больше Dкр. Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимости от способа охлаждения применяют идеальный критический диаметр. Для его определения используют метод торцевой закалки. Цилиндрический стальной образец, нагретый под закалку, охлаждается с торца струей воды.

Рис. 46. Кривая прокаливаемости стали.

Измерив твердость по длине, строят зависимость твердости от расстояния от закаленного торца. В ГОСТах приведены кривые прокаливаемости на базе из 100 и более плавок одной марки стали, указываются верхний и нижний пределы. Рис. 46. За границу между закаленной и незакаленной зонами понимают полумартенситный слой (50% мартенсита +.50% троостита). Прокаливаемость учитывают при выборе марки стали

Виды и назначение отпуска.

Отпуск - это термическая обработка закаленной на мартенсит стали, заключающаяся в одно - или многократном нагреве не выше Ас1, выдержке и охлаждении, при котором происходит распад и рекристаллизация мартенсита.

Различают низкий отпуск (Он), средний отпуск (Ос), высокий отпуск (Ов). После низкого отпуска при 120 - 250 С образуется отпущенный мартенсит, отличающийся большей травимостью. Он применяется для деталей с максимальной твердостью, чаще применяется для инструмента. После среднего отпуска при 350 - 450 С образуется сильно травящаяся “игольчатая” структура троостита отпуска. Ос назначают для достижения максимального предела упругости (пружины). Высокий отпуск при 450 - 650 С вызывает появление сорбита отпуска, имеющего точечное строение. Ов создает наибольшую ударную вязкость, применяется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки Недостатком ряда легированных конструкционных улучшаемых сталей является отпускная хрупкость. Рис. 47.1.

Рис. 47.1. Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали (схема): 1 - быстрое охлаждение; 2 - медленное охлаждение.

При медленном охлаждении кривая имеет два минимума - для отпуска при 300 С и при 550 С. Это явление называют отпускной хрупкостью. Отпускная хрупкость в районе 300 проявляется у всех сталей независимо от состава и скорости охлаждения при отпуске. Падение ударной вязкости связано с распадом остаточного аустенита. Отпускная хрупкость в районе 550 С проявляется в результате медленного охлаждения, при быстром - вязкость не уменьшается.

Лекция № 11

Поверхностная закалка стали. Лазерная термическая обработка. Цементация стали. Строение цементованного слоя. Термическая обработка стали после цементации. Нитроцементация стали. Азотирование. Покрытия металлов: напыленные и осажденные.

Лекция № 12

Пластическая деформация, стадии деформации. Дислокационные структуры деформированных тел. Изменение механизма деформации в зависимости от температуры и напряжения, карты деформации (по Эшби). Ползучесть. Зависимость прочности и пластичности от температуры. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлических тел: отдых, полигонизация, рекристаллизация. ВТМО, НТМО. Сверхпластичность. Влияние электромагнитного поля на структуру и свойства металлических материалов.

Изменение механизма деформации в зависимости от температуры и напряжения, карты деформации (по Эшби). Ползучесть. Зависимость прочности и пластичности от температуры. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированных металлических тел: отдых, полигонизация, рекристаллизация.

Рис. 54. Дислокационная структура (а) - после деформации и (б) - после нагрева, отвечающая полигонизационному типу.

Если деформация происходит при температуре так называемой теплой деформации (0.3 - 0.6) Тпл, тогда одновременно с развитием скольжения и или двойникования происходит перераспределение дислокаций вследствие развития диффузионных процессов (самодиффузия), приводящих к явлению переползания краевых компонент дислокаций. Рис. 54. При теплой деформации создается более стабильная структура, хотя эффект упрочнения ниже.

Структурные изменения, происходящие при горячей деформации металлов, отвечающие температуре > 0.6 Тпл, проявляются в характере кривых напряжение - деформация. Рис. 55.

Рис. 55. Основные виды кривых напряжение - деформация при высоких температурах, а – с “горбом”, б - с плато.

На начальной стадии деформации наблюдается заметное упрочнение в результате развития процессов легкого и множественного скольжения, ведущих к росту плотности дислокаций, распределение которых отличается неоднородностью (горячий наклеп). При увеличении степени деформации это упрочнение растет до некоторого значения, а затем либо остается постоянным, либо заметно падает, но затем вновь стабилизируется.

С увеличением температуры характеристики прочности металлических материалов падают, а пластичности увеличиваются.

Если нагрев происходит после деформации, то при нагреве уже при низких температурах будет происходить возврат или отдых - снятие внутренних напряжений. При дальнейшем повышении температуры атомы, обладающие максимальным запасом энергии, будут двигаться настолько интенсивно, что появится возможность зарождения и роста новых кристаллов, термодинамически более устойчивых. Этот процесс носит название рекристаллизации.

При рекристаллизации старое зерно не восстанавливается, а заменяется совершенно новым.

Абсолютная температура начала всех явлений, связанных с тепловым перемещением атомов в кристаллической решетке, составляет для всех металлов одну определенную долю абсолютной температуры плавления. Для практики необходимо знать, с какой температуры начинается рекристаллизация при выдержке 0.1 - 1 часа. При этом условии оказывается, что для чистых металлов

Трек = 0.4 Тпл.

Самые ранние же проявления рекристаллизации, обнаруженные рентгеновским методом, происходят при Трек = 0.25 Тплавл. В сплавах отношение Трек/Тпл больше, чем для чистых металлов и не обладают таким постоянством. Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации.

ВТМО, НТМО.

Термомеханическая обработка основана на совмещении двух способов упрочнения - пластической деформации и фазовых изменений, заключается в наклепе аустенита с последующим его превращением. Видами ТМО являются: высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), которая состоит из деформирования аустенита выше температуры рекристаллизации (tр) обычно выше критических точек и быстрого охлаждения. Рис. 56.

- низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО), которая состоит из деформирования аустенита ниже tр, т.е. нестабильного аустенита переохлажденного ниже критических точек с последующим охлаждением и фазовым превращением.

Сталь упрочняется за счет мартенситной реакции и за счет дефектов строения унаследованных мартенситом от деформированного аустенита.

При НТМО переохлажденный до 500 - 600 С аустенит деформируется (до 80-9-%) и наклепывается. При НТМО повышение прочности сопровождается понижением пластичности.

При ВТМО наклеп аустенита не сохраняется в чистом виде до мартенситного превращения, так как ВТМО осуществляется выше температуры tр. Если немедленно не охладить сталь после деформации, то будут происходить рекристаллизационные процессы.

Обычно после ТМО осуществляют отпуск на заданную прочность (пластичность). В отдельных случаях после деформации сталь подвергается изотермическому бейнитному распаду (ВТМизО). Имеется класс обработок, которые осуществляются в обратном порядке - превращение, а затем наклеп (механико - термическая обработка МТО). МТО осуществляется деформацией на 3 - 5 % мартенсита и последующим низким отпуском, что создает повышение прочности на 10 - 20 %. В большинстве случаев увеличение прочности сопровождается снижением пластических свойств (исключение - упрочнение за счет измельчение зерна аустенита). Табл. 4.

Сверхпластичность.

Под сверхпластичностью понимают способность металла к значительной равномерной деформации без деформационного упрочнения (наклепа).

Различают несколько видов сверхпластичности:

- мелкозеренная сверхпластичность проявляется при повышенных температурах, не ниже чем 0.4 Тпл, при очень мелком зерне размером в диаметре 3 - 5 мкм и малой скорости деформирования 0.0001 с-1 (отсутствует сдвиговая деформация),

- субкритическая сверхпластичность. Имеет место при температурах вблизи или ниже фазовых превращений при определенной исходной структуре. Перед фазовым превращением или плавлением происходит значительное изменение свойств без изменения структуры. Например, Е снижается в два - три раза.

- мартенситная сверхпластичность, при сдвиговом бездиффузионном превращении наблюдается повышенная пластичность,

- рекристаллизационная сверхпластичность. Выше температуры рекристаллизации заметного упрочнения не возникает.

Лекция № 13

Вязкое и хрупкое разрушение. Этапы процесса хрупкого разрушения. Влияние температуры, порог хладноломкости. Трещиностойкость, вязкость разрушения K1c. Основные понятия механики разрушения: расчеты размеров трещины. Модели Гриффитса, Инглиса - Зинера и др. Соотношение между K1c и пределом текучести материалов.

Основные понятия механики разрушения: расчеты размеров трещины. Модели Гриффитса, Инглиса - Зинера и др.

Модель разрушения Гриффитса, рассмотренная ранее, применима в основном к хрупким материалам, модель Инглиса - Зинера основана на представлении, что в металле может одновременно действовать несколько механизмов разрушения, коренным образом отличающихся друг от друга. Здесь характерным является пластическая деформация, обычно предшествующая разрушению. Опыт показывает, что пластическая деформация в кристаллических материалах осуществляется неоднородно не по всему объему образца, а лишь внутри изолированных областей, называемых полосами скольжений. Расстояние между полосами скольжения. В поликристаллических материалах полоса скольжений ограничена одним зерном. Предполагают, что она ведет себя как изолированная аморфная область.

Материал как-бы состоит из двух фаз: одной, имеющей “аморфную”, и другой, имеющей чисто упругую природу. Под действием напряжения сдвига первая фаза упруго деформируется и может течь. Скорость упругого смещения определяется по закону Гука, а скорость вязкого течения - по закону Ньютона. Суммарная деформация определяется уравнением Максвелла:

ε κ = (бκ /η )+( бκ /G)

Допустим, что образец состоит из аморфной фазы, подчиняющейся уравнению Максвелла.

Если он внезапно подвергнут деформации и затем удерживается в этом состоянии, то ε κ =0, а уравнение после дифференцирования сводится к следующему:

σ κ =σ 0exp(-Gt/η )

Таким образом, ослабление (релаксация) напряжения в аморфном стержне со временем носит экспоненциальный характер и характеризуется величиной: τ =η /G, называемой временем релаксации. Оно равно времени, в течение которого начальное напряжение б уменьшается в е раз. Для двухкомпонентной модели материала рис. 63. напряжение сдвига внутри вязкой области при деформации по данной схеме начинает релаксировать. В непосредственном соседстве с вязкой областью упругая среда будет иметь остаточные напряжения, обусловленные деформацией, которая оставалась в вязкой области Эти остаточные напряжения в свою очередь обусловят напряжения сдвига в вязкой области. Постепенная релаксация этих последних напряжений сдвига в конце концов приводит к полной релаксации всех напряжений, и образец переходит в первоначальное состояние. Релаксация всех остаточных напряжений приводит к упругому последействию.

Лекция № 14

Требования к механическим свойствам конструкционных материалов. Пути повышения прочности металлических материалов. Высокопрочные материалы. Долговечность.

Требования к механическим свойствам конструкционных материалов.

Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого - либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергющийся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

Деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям, т.е. детали должны быть долговечности.

Лекция № 15

Конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые стали, классификация по химическому составу. Дефекты легированных сталей. Рессорно - пружинные стали и сплавы общего и специального назначения.

Конструкционные стали.

Конструкционными называются стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Стали, применяемые в конструкциях и сооружениях, называются строительными. Четкой границы по химическому составу между строительной и машиностроительными сталями нет. Конструкционными могут быть как углеродистые, так и легированные стали. Содержание углерода в этой группе не превышает 0.6 %.

Конструкционные углеродистые стали разделяют так же по назначению, технологическим признакам: таблица.

Стали общего назначения изготавливаются: кипящие (кп), полуспокойные (пс), спокойные (сп). Для обозначения повышенного содержания марганца после номера марки ставят букву Г. Сталь качественная углеродистая по способу раскисления подразделяется на: кипящую, полуспокойную и спокойную. Марки кипящей качественной углеродистой стали: 05кп, 10кп, 20кп, - полуспокойной 08пс, 10пс, 15пс, 20пс, - марки спокойной стали в данной таблице перечислены без индекса. Кроме указанных в таблице, ГОСТ 1414 - 75 предусматривает еще одиннадцать, а ГОСТ 14959 - 79 еще двенадцать марок легированных сталей. ГОСТ 977 – 79 распространяется на легированные стали для литейной технологии.

Стали общего назначения применяются, как правило, без термообработки или после нитроцементации или цементации, для изготовления деталей неответственного назначения, воспринимающих большие нагрузки. Стали марок Ст5Гпс, Ст6сп, а так же подобные им воспринимают закалку и низкий отпуск. Углеродистые качественные стали (за исключением 05кп, ..., 10пс) обычно проходят цементацию, улучшение или закалку с отпуском, а так же применяются после ТВЧ - марки 40... 58 (55ПП). Обычная ТО рессорно - пружинных сталей: закалка и средний отпуск 470... 520 С.

Кроме углеродистых в машиностроении для ответственных деталей применяют конструкционные легированные стали ГОСТ 4543 - 71. Эти стали разделяются на группы: хромистая, марганцовистая, хромомарганцевая, хромокремнистая, хромокремнемарган-евая, хромоникелевая и другие стали. По технологическим признакам их разделяют на цементуемые стали, стали для азотирования, улучшаемые стали, воздушнозакаливающиеся стали и т.п.

Лекция № 17

Жаропрочные стали и сплавы. Коррозоинностойкие стали. Кислотостойкие стали и сплавы. Магнитные стали и сплавы. Электротехнические сплавы. Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами. Материалы с памятью формы.

Жаропрочные стали и сплавы.

Различают жаростойкие и жаропрочные металлы и сплавы. Под жаростойкостью понимают способность сопротивляться окислению (окалиностойкость). Жаропрочными сталями с сплавами понимают материалы, обладающие повышенными механическими свойствами при повышенных температурах. В таких условиях прочность металла определяется двумя факторами - температурой и временем. Рис. 64.

Рис. 64. Зависимость прочности от температуры испытаний.

Рис. 65. Предел прочности железа от температуры испытаний. Заштрихована область

напряжений, вызывающая ползучесть.

При пониженной температуре t1 прочность мало зависит от продолжительности воздействия нагрузки и при напряжении ниже бв разрушение практически не произойдет. Возрастание угла наклона прямых показывает, что при более высоких температурах зависимость эта существует.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒