Цели и задачи курса.

Основная цель: изучить внутренние строения конструкционных материалов и определить связи строения с механическим, физическим свойствами и химическим составом.

Конструкционные материалы – материалы для изготовления деталей машин и механизмов, обеспечивающие механическую прочность деталей под действием нагрузки.

Выделяют статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, температурные воздействия) и динамические (вибрация, удар) нагрузки.

Деталь должна сохранять форму, размеры, не разрушаться. Основной материал для изготовления деталей – металл.

К металлам относят вещества, у которых при повышении температуры увеличивается сопротивление.

Основные признаки:

  • наличие кристаллической решетки в твердом состоянии

  • высокая тепло- и электропроводность

  • способность к упругому и пластичному деформированию

Косвенные признаки: металлический блеск.

Механические свойства металлов.

К механическим свойствам металлов относят: прочность, упругость, пластичность, твердость, ударную вязкость.

Диаграмма деформирования металлов:

Прочность, упругость и пластичность изучаются при испытаниях на растяжение.

Прочность – способность материалов выдерживать нагрузки без разрушения.

Упругость – способность материалов изменять форму под действием нагрузки, и возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки.

Пластичность – способность материала приобретать необратимые изменения формы под действием нагрузки.

Для того чтобы исключить влияние размеров и форм испытываемых деталей на результат испытания: 1) испытания проводят на стандартных образцах; 2) результат испытаний пересчитывают на относительные величины: усилие в напряжение ; деформацию в относительную деформацию ; l0 – начальная длина рабочей части; l – длина рабочей части под действием усилия.

Относительные величины применяют, чтобы охарактеризовать материал, а не образец.

Измерение твердости.

Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в него инородного тела при статическом вдавливании.

Общая идея: в плоскую поверхность образца из исследуемого материала с заданным усилием специальный наконечник – индентор. О твердости судят либо по площади полученного отпечатка, либо по глубине вдавливание индентора.

Измерение твердости методом Бринеля.

Индентор – шарик диаметра 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по шкале Бринеля:

P – усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d – диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаления индентора.

Достоинства метода: высокая универсальность, то есть способность к измерению материалов с разной структурой.

Недостатки метода: необходимость дополнительных измерений; необходимость дополнительных расчетов для получения HB приводит к тому, что метод не оперативный.

Испытания проводят на специальных прессах – твердомерах, развивающих строго определенное усилие вдавливания, являющееся стандартным. За счет изменения диаметра индентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне.

Измерение твердости методом Роквелла.

В методе Роквелла твердость определяетсяглубиной вдавливания индентора. Индентор – конус с углом при вершине 1200.

Нагружение в три этапа: а) предварительное малое усилие P0 для обеспечения контакта с образцом; б) основное нагружение усилием P = P0 + Pраб; в) снятие рабочего усилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.


О твердости материала судят по глубине вдавливания h, измеряемого на 3-м этапе нагружения. Для метода Роквелла характерна высокая оперативность.

Для повышения универсальности существуют три шкалы:

шкала

обозначение

Разным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерять материалы с разными характеристиками твердости.

Измерение твердости методом Викерса.

Методы Бринеля и Роквелла малопроигодны для измерения твердости тонких образцов из-за высоких усилий 9,8 Н< Pраб < 1200 Н.

Индентор – четырехгранная пирамида; угол при вершине 1360.


, где D – диагональ отпечатка, k – размерный коэффициент.

Недостатки метола: дополнительные измерения и расчеты.

Достоинства метода: возможность измерять тонкие образцы.

Измерение ударной вязкости.

Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин.

Ударная вязкость измеряется в результате разрушения образцов при испытании на ударный изгиб. , где Eразр = mg(Hh) – энергия, поглощенная образцом при разрушении; Fизлома – площадь поверхности излома.


Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами.


Значение КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать месть разрушения.


Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения, с трещинами; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом.

Кристаллическое строение металлов.

Почти все металлы – поликристаллические вещества, состоящие из отдельных мелких кристаллов.

Кристалл – атомная структура, состоящая из атомов, зафиксированных друг относительно друга. Места расположения атомов – узлы кристаллической решетки. Особенность кристаллов – упорядоченное строение.

Ячейка кристаллической решетки – группа атомов, упорядоченно расположенных друг относительно друга и периодически повторяющихся в кристалле по всем направлениям. В зависимости от расположения атомов в ячейке различают различные типы кристаллических решеток. Всего типов решеток – 14.

Плотность упаковки атомов в решетке определяется полным числом атомов, находящихся внутри объемного тела, образованного плоскостями, проходящими через центры внешних атомов ячейки


Интересна связь строения кристаллической решетки с механическими и физическими свойствами материала. От прочности связи зависит степень сопротивления деформации. От строения зависит способность к пластической деформации. Деформирование происходит за счет сдвига атомных плоскостей. Сдвиг происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей с наиболее плотной упаковкой атомов. Рассмотрим объемно-центрическую кубическую решетку (ОЦК):

1) Плоскость ABCD. Количество атомов в плоскости ABCD – 1; площадь ABCD = a2; площадь, приходящаяся на 1 атом – удельная площадь: – мера плотности упаковки.

2) Плоскость ABGH. Количество атомов в плоскости ABGH – 2; площадь ABGH = a2; .

В плоскости ABGH плотность упаковки больше чем в ABСD. Наиболее вероятен сдвиг вдоль диагональных плоскостей.


Реальное строение кристаллов.

Неоднородный химический состав и внешние условия вызывают дефекты кристаллической решетки. Выделяют дефекты трех типов:

  1. точечные (вакансии, внедренные атомы);

  2. линейные (краевые и винтовые дислокации);

  3. объемные (микропоры, трещины, газовые пузырьки).

Точечные дефекты:

Вакансия – отсутствие атома в узле кристаллической решетки.

Внедренные атомы: а) чужеродный атом в узле кристаллической решетки; б) атом вне узла, в межузельном пространстве.

Линейные дефекты:

Дислокации: краевые – оборванный край атомной плоскости внутри кристаллической решетки; винтовые – условная ось внутри кристалл, относительно которой закручиваются атомные плоскости в процессе кристаллизации.

Объемные дефекты:

Возникают из-за влияния внешних условий кристаллизации или под действием внешних нагрузок. В результате несколько вакансий дают пору; несколько линейных дислокаций – трещину.

Влияние дислокаций на процесс деформирования кристалла.

Наличие дислокаций значительно облегчают движение атомных плоскостей друг относительно друга и способствует уменьшению предела прочности. В результате деформирования дислокации могут выходить за грани кристалла. Под действием значительных усилий в кристалле могут возникать новые дислокации, облегчающие деформирование кристалла (площадка текучести). Дислокации переплетаются.

Если дислокаций нет, то требуется значительное усилие, чтобы деформировать материал. Чем больше дислокаций, тем меньше усилие необходимое для деформации образца. Начиная с некоторой концентрации дислокаций деформация затрудняется, дислокации мешают движению друг друга. Возникает эффект упрочнения. Структура, возникающая при большом количестве мешающих друг другу дислокаций.


n – плотность дислокаций;


Реальные кристаллы имеют много дефектов, от которых зависят свойства материала.

Строение металлического слитка.

Зона I: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие, равноосные кристаллы.

Зона II: Быстрое охлаждение, большая разность температур, мелкие кристаллы, растущие навстречу оттоку тепла. Игольчатые (столбчатые) дендриты.

Зона III: Центральная часть слитка. Медленное охлаждение. Форма кристаллов: крупные равноосные. Чем ближе к центру, тем больше содержание вредных примесей. Примеси можно удалить механически,

Зона IV: В верхней части слитка, концентрируется наибольшая часть легких примесей (шлаки), газовых пузырей, трещин, раковин, и т. д. После изготовления эту часть удаляют.

Наиболее качественными являются слитки с одинаковой структурой кристаллов по всему объему, поэтому зону I часто механически удаляют.

Кристаллизация – переход из жидкого в твердое состояние с образование кристаллической решетки. Выделяют самопроизвольную и несамопроизвольную кристаллизацию.

Упорядоченность. Мера упорядоченности – энтропия (S []). Энтропия возрастает, если энергия подводится в хаотическом движении. При кристаллизации порядок повышается, следовательно энтропия убывает.

Главный термодинамический параметр – температура. При анализе кристаллизации не рассматривается поведение отдельных атомов или молекул. Применяют термодинамический подход: вещество рассматривается как некая система, которая характеризуется общими усредненными параметрами:


Случайные файлы

Файл
24140-1.rtf
3963-1.rtf
132181.rtf
~1.DOC
877.doc




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.