Введение

Материаловедение – наука о структуре, составе, свойствах материалов и их взаимосвязи.

От достижений материаловедения зависит решение многих важных технических проблем, связанных с экономикой материалов и энергоресурсов, повышением точности, надежности эксплуатации отдельных механизмов и машин в целом.

Так уже сложилось, что большая часть материаловедения – это металловедение. Так как из известных в настоящее время 106 элементов 76 - металлы.

Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных.

Впервые существование связи между структурой (строением) стали и ее свойствами было установлено Павлом Петровичем АНОСОВЫМ, а Дмитрием Константиновичем ЧЕРНОВЫМ было установлено наличие фазовых превращений в стали в твердом состоянии при ее нагреве или охлаждении до определенных температур (критических точек), вызывающие значительные изменения свойств стали.

Открытие рентгеновского излучения и разработка методов рентгеноструктурного анализа позволили установить кристаллическое строение металлических сплавов и фаз, изучить его изменение в зависимости от обработки сплава.

В связи с непрерывным ростом уровня техники были разработаны новые виды термической (ТО) и химико-термической (ХТО) обработки стали, основы легирования стали, созданы стали и сплавы с особыми свойствами, сплавы на основе Al, Ti и других металлов. Развитие электровакуумной техники, полупроводниковой электроники, атомной энергетики способствуют все более широкому применению редких металлов и их сплавов.

Металлы в твердом и отчасти жидком состоянии обладают рядом характерных свойств:

• металлический блеск,

• пластичность,

• высокая тепло- и электропроводность,

• положительный температурный коэффициент электросопротивления (с повышением температуры  чистых металлов возрастает),

• способность к термоэлектронной эмиссии,

• способность при низкой температуре переходить в сверхпроводящее состояние (с понижением температуры до 0 К скачком  снижается до 0).

Эти свойства обусловлены особенностями атомно-кристал­лического состояния металлов – плотноупакованными кристаллическими решетками и наличием линейных дефектов кристаллического строения (дислокаций), а также металлическим типом связи:

• положительно заряженные ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки,

• легкоподвижные коллективизированные электроны (электронный газ).

Существует несколько версий классификации металлов. Приведем две из них. По наиболее распространенной версии железо и его сплавы относят к черным металлам, а остальные металлы и их сплавы – к цветным.

Цветные металлы, применяемые в технике, делят на следующие группы:

• легкие металлы с плотностью до 5 г/см³ (Mg, Be, Al, Ti);

• тяжелые металлы с плотностью более 10 г/см³ (Pb, Mo, Ag, Au, Pt, Ta, Ir, Os);

• легкоплавкие металлы с температурой плавления менее 420С (Sn, Pb, Zn);

• тугоплавкие металлы с температурой плавления большей, чем у железа (W, Mo, Ta, Nb);

• благородные металлы с высокой устойчивостью против коррозии (Ag, Au, Pt, Pd);

• урановые металлы или актиниды, используемые в ядерной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды;

• щелочные и щелочноземельные металлы, применяемые в свободном состоянии как жидкие теплоносители в ядерных реакторах (Na, K, Li).

По трактовке А.П.Гуляева, существуют 2 большие группы – черные и цветные металлы. Черные металлы имеют темносерый цвет, высокую плотность, температуру плавления, твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. К ним относятся:

• железные металлы (Mn и ферромагнетики Fe, Co, Ni);

• тугоплавкие металлы (W, Mo, Ti и др.);

• урановые металлы;

• редкоземельные (лантаноиды +Y Sc);

• щелочные и щелочноземельные.

Цветные металлы имеют характерную окраску, низкую твердость и температуру плавления, высокую пластичность, отсутствует полиморфизм. К ним относятся:

• легкие металлы (Be, Mg, Al);

• благородные металлы (Ag, Au, Pt Pd и др.);

• легкоплавкие металлы (Zn, Cd, Hg, Sn, Sb. Pb).

Все материалы, в частности сплавы, различаются по составу, свойствам, структуре. Если мы говорим о составе, то имеем в виду набор химических элементов, входящих в материал или сплав и их количество (%). Состав регламентируется ГОСТами, ОСТами, ДСТУ, ТУ, контролируется химическим, спектральным и другими видами анализа.

Тема № 1 Структура, МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА,

КОНСТРУКЦИОННАЯ ПРОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОВ И

СПЛАВОВ

Что касается структуры, то это более сложная категория и ее анализ осуществляется на трех уровнях в зависимости от размера исследуемого образца.

Самым грубым является макроструктурный анализ, при котором изучаются особенности строения металла, видимые невооруженным глазом либо при небольших увеличениях до х30. Изучение проводят путем просмотра изделий либо специально подготовленных образцов – продольных или поперечных темплетов. Это позволяет контролировать большую поверхность и получать общее представление о качестве металла после различных видов технологического процесса изготовления деталей.

При исследовании макроструктуры металла определяют:

Нарушения сплошности металла – пористость, пузыри, раковины, трещины, флокены, пороки сварки;

Особенности строения литого и деформированного металла;

Химическую неоднородность металла (ликвацию);

Виды изломов – вязкий, хрупкий, усталостный, нафталинистый и др.

Более «высоким» является микроструктурный анализ, при котором изучается строение металла, наблюдаемое при помощи микроскопов (оптического, х50…х2000; электронного, х2000…х100000): форма, размеры и характер взаимного расположения кристаллов (фаз), составляющих металл или сплав. Наиболее распространено использование светового микроскопа, который дает изображение в отраженном свете, поэтому поверхность образцов должна быть плоской и гладкой, после механической обработки поверхности на ней необходимо путем химического или электролитического травления создать микрорельеф, соответствующий микроструктуре сплава. Разрешающая способность светового микроскопа ограничена дифракционными явлениями, которые происходят при отражении от деталей микроструктуры меньших, чем длина волны света.

Тонкие методы исследования (рентгеноструктурный анализ, электронография, нейтронография и др.), основанные как раз на использовании дифракции, позволяют выявлять атомно-кристаллическое строение: порядок размещения атомов, расстояние между атомами, внутренние напряжения.

И, наконец, свойства:

• механические (прочность, пластичность, твердость, вязкость и др);

• технологические (жидкотекучесть, штампуемость, свариваемость, обрабатываемость резанием);

• физические (электрические, магнитные, тепловые и др.);

• специальные (коррозионная стойкость, износостойкость, красностойкость и др.).

Остановимся на механических свойствах. Сразу отметим, что они определяются при статических и динамических испытаниях.

К статическим испытаниям относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, твердость. Чаще всего применяют измерение твердости и испытание на растяжение. Для этого используют как стандартные образцы, специально изготавливаемые (ГОСТ 1497-84), так и натурные. Испытания проводят на разрывных машинах с разной нагрузкой. Разрывные машины снабжены прибором, записывающим техническую (машинную) диаграмму растяжения. Для разных материалов диаграмма имеет вид (рисунок 1.1)

а б в

Рисунок 1.1 - Диаграмма растяжения без площадки текучести (а), с площадкой текучести (б), с «зубом» текучести (в)

По технической диаграмме определяют характеристики прочности: временное сопротивление разрыву (_В), предел текучести (_Т) или условный предел текучести (_0,2), предел пропорциональности (_ПЦ)

(1.1)

а также на образце определяют характеристики пластичности: относительное удлинение () и относительное сужение ()

(1.2)

Приложенная нагрузка вызывает в материале упругую или пластическую деформацию. Угол наклона между прямой (участок диаграммы) и осью l характеризует модуль упругости материала, т.е. является характеристикой сопротивления материала упругой деформации.

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Этот метод также является экспресс-контролем качества материала изделия. Между твердостью пластичных металлов и пределом прочности существует количественная зависимость _в = 0,33 НВ. Наибольшее распространение при измерении твердости изделий небольшого размера получили методы Бринелля и Роквелла. При вдавливании в образец, например стального шарика, в деформируемой области оказываются все фазы сплава и поэтому такую твердость называют макротвердостью.

Измерение твердости по Бринеллю (ГОСТ 9012) производится на приборе ТШ -2М вдавливанием стального шарика, диаметр которого и нагрузка выбираются в соответствии с определенными требованиями

Число твердости по Бринеллю определяется по формуле:

(1.3)

где Р - нагрузка на шарик, кгс;

F – площадь поверхности сферического отпечатка, мм²;

D - диаметр шарика, мм;

d - даметр отпечатка, мм.

Измерение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-59) производится на приборе ТК - 2М вдавливанием стандартного алмазного конуса с углом заточки 120^о при вершине или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм под воздействием двух последовательно прилагаемых нагрузок: - предварительной Р_о = 10 кгс и общей Р, равной сумме предварительной и основной.

Числа твердости по Роквеллу являются условной величиной и измеряются в условных единицах: за единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (2 мкм) и прибор измеряет разность между перемещением наконечника под действием предварительной и основной нагрузки h. Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического смысла, который имеют числа твердости по Бринеллю.

Стрелка индикатора отмечает величину 100-h при измерении конусом (черная шкала) и величину 130-h при измерении шариком (красная шкала). Твердость определяется по одной из трех шкал: А, В, С.

Выбор шкалы производится в зависимости от предполагаемой твердости образца: шкала В – для неупрочненных сталей и цветных сплавов; шкала С - для упрочненных сталей и некоторых цветных сплавов после упрочняющей термообработки; шкала А – для измерения твердости твердых сплавов и тонких упрочненных слоев.

Кроме приведенных выше статических методов испытания механических свойств материалов существуют динамические.

Измерение твердости динамическим вдавливанием шарика применяется для ориентировочного определения твердости крупногабаритных изделий, а также для деталей машин, демонтаж которых не желателен. Принцип действия прибора (рис. 1.2) основан на том, что шарик диаметром 10 мм под действием удара одновременно вдавливается в поверхность испытуемого изделия и эталонного образца, твердость которого известна. В соответствии с третьим законом Ньютона сила воздействия на эталон и образец одинакова. Поэтому, зная твердость эталона можно оценить твердость испытуемого материала по разнице в диаметрах отпечатков. Следует заметить, что этот метод применяется только для контроля качества и твердость эталона желательно выбирать близкой к ожидаемой твердости испытуемого материала.

Величина твердости определяется по формуле:

(1.4)

где НВ - число единиц твердости испытуемого образца;

НВ_эт - число единиц твердости эталонного образца;

D - диаметр шарика, мм;

d_эт - диаметр отпечатка на поверхности эталонного образца;

Рисунок 1.2 - Прибор для измерения твердости динамическим вдавливанием

Вкачестве эталонного образца используется стальной стержень квадратного сечения 12х12 мм длиной 150 мм, на который 4-х сторон можно наносить отпечатки (d = 2 - 4 мм) на расстоянии не менее 5 мм друг от друга.

Испытание материалов на изгиб динамической нагрузкой получили широкое распространение. Это связано с тем, что один и тот же материал в зависимости от напряженного состояния, температуры и скорости приложения нагрузки может разрушаться хрупко и вязко. Если образец перед разрушением обладает пластичностью, то такое разрушение называется вязким, если разрушение произошло без заметной пластической деформации, то оно называется хрупким.

Испытания проводят на маятником копре КМ-30 на стандартных образцах сечением 10 * 10 * 55 мм. Работу (А_Н), затраченную на деформацию и разрушение надрезанного образца, относят к поперечному сечению (F_O) в месте надреза и полученную характеристику называют ударной вязкостью (КС).

(1.5)

Работа (А_Н), затраченная на деформацию и разрушение надрезанного образца, состоит из работы зарождения (А_З) и работы развития (А_Р) трещины.

Методы определения ударной вязкости регламентируются стандартами (ГОСТ 9454). Первые буквы КС обозначают символ ударной вязкости, третья – вид концентратора (надреза). Ударная вязкость записывается КСV, если радиус надреза 0.25 мм, или КСU, если радиус надреза – 1мм. При концентраторе напряжений с радиусом надреза, стремящемся к нулю (наведенная трещина), символ записывается как КСТ (метод Дроздовского) и при этом определяется работа развития трещины.

Описанные выше методы испытания механических свойств характеризуют максимально нагрузки, которые может выдержать материал при однократном нагружении.

Однако в реальных условиях изделия работают не на предельных нагрузках, а под действие либо повторных или знакопеременных нагрузок.

Разрушение материала под действием таких нагрузок называют усталостью материала. При этом напряжение разрушения ниже предела прочности (_В) и даже предела текучести (_Т). При усталостном разрушении излом состоит из зоны усталости (гладкая, притертая поверхность) и зоны долома (грубокристаллическая – у хрупких материалов, волокнистая – у вязких).

Сопротивление материала циклическому нагружению. Характеризуетсяпределом выносливости (_R), т.е. максимальная нагрузка Р, которую может выдержать материал без разрушения за большое (специально устанавливаемое) число циклов N (10⁵…10⁸ и более). Схема зависимости действующих напряжений от числа циклов до разрушения представлена на рис. 1.3.

Испытания проводят на вращающемся образце (гладком или с надрезом) не менее 6 образцов. Для ₁=0,6*_В (для стали) определяют N, вызывающее разрушение. Для последующих образцов ₂, ₃ понижают (повышают) на 2-4 кГс/мм² и определяют N. Результаты наносят на диаграмму =f(N). Горизонтальный участок, т.е. максимальное , не вызывающее разрушения при бесконечно большом числе циклов N, соответствует пределу выносливости _R.

Конструкционная прочность (КП) материалов – комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала при эксплуатации. Для большинства изделий, особенно из высокопрочных материалов, склонных к хрупкому разрушению недостаточно знаний о стандартных механических свойствах. Используют и другие критерии оценки КП, которые можно разделить на две группы.

1. Критерии надежности – это оценка сопротивления материала хрупкому разрушению. Порог хладноломкости или температура хрупко-вязкого перехода обычно определяют, оценивая ударную вязкость при пониженных температурах и выясняя при каких температурах происходит резкое падение этой характеристики.

Вязкость разрушения или коэффициент интенсивности напряжений (К_с) характеризует поведение материала при разрушении и определяется на специальных образцах с имитацией трещины.

2. Критерии долговечности – это оценка сопротивления силовым факторам, температуре, а также окружающей среде.

Ползучесть – (оценивают пределом длительной прочности и пределом ползучести) - характеристика способности материала работать длительное время под нагрузкой при определенной температуре.

Износостойкость – способность материалов сопротивляться изнашиванию в условиях внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться воздействию внешней химически активной среды.

Кроме этого могут оценивать жаростойкость, радиационная стойкость и др.

Очень важным требованием является технологичность материала, т.е. обеспечение наименьшей трудоемкости при изготовлении деталей и конструкций. Оценивается обрабатываемость резанием, давлением, свариваемостью, жидкотекучестью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термообработке.

В комплексе требований, предъявляемых к конструкционным материалам обязательно учитывать экономические требования, которые сводятся к тому, чтобы материал был относительно недорогим и доступным.

Тема № 2: Особенности атомно – кристалического