Физические свойства конструкционных металлов

Механические свойства определяются по результатам механических испытаний, при которых материалы подвергаются воздействию внешних (статических, динамических, циклических) сил, вызывающих напряжение и деформацию.

Напряжение — величина нагрузки, отнесённая к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.

Деформация — изменение формы и размеров твёрдого тела под влиянием внешних сил. Различают деформации растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Оценивается пределом прочности и пределом текучести, а также пределом прочности материала, отнесённым к его плотности — удельной прочностью.

Предел прочности (временное сопротивление разрушению) — напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца (рисунок 1, точка Г).

Рисунок 1 — Диаграмма растяжения

Предел текучести — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (рисунок 1, точка В).

Упругость — способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Оценивается пределом пропорциональности и пределом упругости.

Предел пропорциональности — напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца (рисунок 1, точка А).

Предел упругости — напряжение, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация достигает 0,05% от расчётной длины образца (рисунок 1, точка Б).

Пластичность — способность материала не разрушаясь принимать форму и размеры под действием внешних сил. Характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Относительное удлинение — отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах.

Относительное сужение — отношение разности начальной и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Усталость — процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Оценивается пределом выносливости.

Предел выносливости — максимальное напряжение, которое может выдержать материал без разрушения в течение заданного числа циклов нагружения.

Твёрдость — способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела. Твёрдость определяют следующими способами:

1. Способ Бринелля (HB) — в поверхность образца вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закалённый шарик. За меру твёрдости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
2. Способ Роквелла (HR) — в образец вдавливают алмазный конус или стальной закалённый шарик. Значение твёрдости определяют по глубине отпечатка в условных единицах. Измерения осуществляются по одной из шкал:
   • HRA — алмазный конус, общая нагрузка 600 Н (при испытании очень твёрдых или тонких изделий);
   • HRB — стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н;
   • HRC — алмазный конус, общая нагрузка 1500 Н (для материалов с высокой твёрдостью).
3. Способ Виккерса (HV) — в образец вдавливают четырёхгранную алмазную пирамиду с нагрузкой от 50 до 1000 Н. Значение твёрдости HV определяют из таблицы по соответствующему значению среднего арифметического длины диагоналей отпечатка.

Ударная вязкость — способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы к площади его поперечного сечения.

Хладоломкость — явление снижения ударной вязкости материалов при низких температурах.

Циклическая вязкость — способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках.

Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии.

Литейные свойства — способность материалов образовывать целостные бездефектные отливки:

• жидкотекучесть — способность расплавленного материала заполнять полость литейной формы;
• усадка — уменьшение объёма материала при переходе из жидкого состояния в твёрдое;
• ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при кристаллизации.

• Ковкость — способность материала обрабатываться давлением без признаков разрушения.
• Свариваемость — способность материалов образовывать неразъёмное соединение, свойства которого близки к свойствам основного материала.
• Обрабатываемость резанием — способность материала подвергаться механической обработкой до получения чистой и гладкой поверхности.

Эксплуатационные свойства определяются по характеру работы материала в тех или иных условиях (хладностойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.).

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении.

Физические свойства — цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоёмкость, электропроводность и электросопротивление, магнитные свойства и пр.

Химические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться вступлению в соединение с другими веществами (кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.).

Коррозия — химическое разрушение материалов под воздействием на их поверхность внешней агрессивной среды.

Жаростойкость (окалиностойкость) — стойкость к окислению при сильном нагреве.

Список литературы

1. Сажин В.Б. Иллюстрации к началам курса «Основы материаловедения». — М.: ТЕИС, 2005. — 156 с.

0 0 голоса

Рейтинг статьи

Физические, механические и технологические свойства материалов

• План урока
• Тема: Физические, механические и технологические свойства конструкционных, природных и искусственных материалов
• Ход урока

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений и т.д.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Неметаллические материалы – это неорганические и органические материалы, графит, пластмассы, стекло, керамика, резина, древесина, ткань, бумага и т.д.Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры (полиэтилен, полистирол).

1. Композиционные материалы – (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам материалов), полученные из двух и более компонентов ( на металлической или полимерной основе), гетинакс, текстолит, стеклопластик, стеклоткань.
2. В машиностроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные и клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается.
3. Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления.
4. Материалы, применяемые в машиностроении

Для изготовления деталей  машин применяются различные материалы, называемые конструкционными. От правильного выбора конструкционного материала зависят качество, надежность, экономичность  и долговечность деталей и машины в целом. Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами.

• Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов цветными.
• Строение металлических  конструкционных материалов
• В природе существует две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.
• Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (металлы); аморфные – хаотичным (стекло)

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой.

Характерным признаком кристалла является твердое состояние до температуры плавления, причем процесс плавления происходит при постоянной температуре.

Все металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали.

• Все остальные металлы относятся к цветным. Цветные металлы условно делятся на пять групп:
• Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово.
• Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт.

Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций и стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди других металлов плотность (удельную массу).

Благородные металлы: золото, серебро, платина. Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействую окружающей среды и агрессивных сред.

Редкие металлы: (вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий, уран)

Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Железо в чистом виде в машиностроении не применяется. Сталь это сплав с содержанием углерода до 2 %. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2 до 6 %.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь)

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Стали бывают обыкновенного качества и качественные. Нержавеющие стали. Имеют легирующие добавки.

Чугуном называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2 %. Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь,

Цветные  металлы и сплавы

Цветные металлы и сплавы. Многие цветные металлы (Cu, Al, Mg, Pb, Sn, Zn, Ti) и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, низкой плотностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами.

Из цветных металлов и в виде сплавов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Сортовой прокат

• В машиностроении, строительстве, на транспорте широко применяется металлический прокат: листы, полосы, ленты, рельсы, балки и т. д. Его получают в результате обжатия слитка металла в горячем или холодном состоянии между вращающимися валками прокатного стана. Таким образом обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы.

• Профиль проката (форма его поперечного сечения) зависит от формы валков.

Различают следующие профили сортового проката: простые (круг, квадрат, шестиугольник, полоса, лист); фасонные (рельс, балка, швеллер, тавр, двутавр, труба и др.); специальные (арматурная сталь и др.). 

• Чаще всего сортовой прокат используется в качестве заготовок для различных деталей. Например, из шестигранного прутка делают болты, гайки. Из круглого проката вытачивают цилиндрические детали на токарных станках. Уголковый прокат применяется в производстве рам, каркасов, стеллажей и т. д.

Очень широко используется древесина. Древесные породы делятся на две группы: хвойные и лиственные. Распиленная на специальной установке (пилораме) древесина называется пиломатериалом (доски, брусья, бруски). Из древесины делают конструкционные материалы – бумагу, фанеру, ДВП и ДСП.

Современной альтернативой натуральным материалам служат композитные составы:

• ДСП (древесно-стружечная плита) — наиболее дешевый, но достаточно прочный материал, который изготавливают методом прессования древесных стружек с добавлением синтетических смол.
• ДВП (древесно-волокнистая плита) — по технологии производства этот материал близок к ДСП, но для него используются опилки.

1. Свойства конструкционных материалов
2. Физико-механические свойства конструкционных материалов подразделяются на: конструкционные, технологические и эксплуатационные
3. К физическим свойствам металлов относятся: цвет, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение и магнитные свойства.
4. К физическим свойствам древесины относятся: текстура, цвет, блеск, влажность.
5. К механическим свойствам относятся:
6. — прочность — это способность материала  сопротивляться деформации и разрушению.
7. — упругость – это способность восстанавливать форму после деформации.
8. — пластичность – способность материала деформироваться.
9. — твердость – это сопротивление материала проникновению в его него другого, твердого тела
10. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил а) сжатие, б) растяжение, в) изгиб, г) срез, д) кручение.

Технологическая обработка металлов давлением: прокат, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Вопросы самоконтроля

1. Какие виды конструкционных материалов вы знаете?

2. Чем отличается сталь от чугуна?

3. Какие свойства металлов относятся к механическим свойствам?

4. Назовите основные профили сортового проката?

5. Что такое древесина? Что относится к физическим свойствам древесины?

Виды пиломатериалов: а) пластина, б) четвертина, в) доска, г, д, е, з, и) брус, ж) горбыль.

Характеристика конструкционных материалов: виды, свойства

Они отвечают трём требованиям – имеют определённую структуру и уровень свойств, а также пригодны для изготовления каких-либо изделий. Вещества, имеющие жидкую или пастообразную консистенцию, в эту группу не входят.

Большинство материалов для конструкций производятся искусственным способом из специально обработанных или подготовленных составляющих. Некоторые материалы являются веществами природного происхождения, основные свойства которых при обычной обработке не изменяются.

Разновидности конструкционных материалов

Основные конструкционные материалы подразделяют на металлические и неметаллические. Первая группа включает в себя чёрные (сталь, чугун) и цветные металлы и сплавы. Вторая более разнообразна: туда входят:

• механические композиты (бетон, цемент);
• древесина;
• природный камень;
• пластмассы, которые могут существовать в виде изомеров – атомов, соединённых между собой разными видами химических связей.

К отдельной группе относят химические композиты, в структуре которых одновременно присутствуют атомы металлов и неметаллов. Достижения современного материаловедения ежегодно приводят к созданию принципиально новых типов конструкционных материалов.

Свойства композитов зависят от устойчивости соединения нескольких природных или искусственных веществ, которые получены в определённых условиях.

Каждый из конструкционных материалов имеет определённые свойства, соответственно которым устанавливаются области его рационального применения.

Из чёрных металлов и сплавов главнейшее значение имеет сталь и её сплав с графитом – чугун. В качестве цветных металлов наибольшее распространение получили алюминий, медь, никель, титан и их сплавы. Они востребованы практически во всех отраслях промышленного производства, аграрном деле, строительстве, связи.

Типовым представителем механических композитов считается бетон, состоящий из смеси цемента, таких заполнителей, как песок, гравий или щебень, а также воды. Параметры бетона зависят от соотношений, используемых при расчете смеси. Поэтому поставщики бетона обычно предоставляют свойства материала и результаты испытаний для каждого конкретного случая.

Древесина считается конструкционным материалом, если потребительские свойства позволяют использовать её для производства компактной, долговечной продукции. Например, деревья-кустарники, хотя и имеют структуру древесины, могут использоваться только в качестве сырья для лесохимической или целлюлозно-бумажной промышленности.

Природные камни – граниты, базальт, кварц, представляют собой вещества магматического происхождения, образовавшиеся много тысячелетий тому назад вследствие извержения пород из недр Земли с их последующим застыванием. Возможна механическая (резание, шлифовка) или термохимическая (литьё) обработка природного камня.

Пластмассы – обширный класс искусственных веществ, которые создаются в результате контролируемого прохождения химических реакций. Номенклатура применяемых пластиков обширна и ежегодно пополняется новыми представителями.

Рассмотрим классификацию конструкционных материалов более подробно.

Металлические

Включают материалы, полученные переработкой руд чёрных и цветных металлов. Самородные структуры – золото, железо, свинец – в первичном виде не используются, поскольку не обладают теми потребительскими характеристиками, которые необходимы для долговечного применения.

Ведущее место среди металлов принадлежит стали – сплаву железа с не более чем 2% углерода. Особенностями стали являются:

• достаточно широкий диапазон марок;
• возможность видоизменять характеристики под воздействием температуры;
• доступность добычи исходного сырья;
• способность к вторичной переработке.

Большинство металлических материалов может проявлять интерметаллидные свойства, образуя новые многокомпонентные соединения.

Поскольку все виды конструкционных материалов тверды, прочны и сохраняют свою форму при повышенных температурах (исключение составляют только олово и свинец, которые используются в качестве припоев), то основные области их применения – строительство, промышленность, средства связи, медицина.

Неметаллические

Получаются как природным, так и искусственным способом. Например, образование изделий из камня – это производство, основанное на переработке естественных заготовок.

Остальные виды – керамика, дерево, пластик – получены в результате процессов с искусственно полученными веществами (например, с цементом для бетона), либо с природными компонентами (в частности, для изготовления керамики используют глину).

Процессы, которые необходимы для получения неметаллов:

1. Добыча исходного сырья – руды, древесины, химических соединений, используемых для производства пластических масс и т.д.
2. Подготовка сырья к переработке. Для неорганических ископаемых сюда входят технологии обогащения, для органических (древесина, пластик) – различные механо-термические превращения.
3. Получение продукции и её отделка, например, окраска, нанесение декоративных или технологических покрытий.

Конечные показатели материалов органического происхождения могут сильно отличаться от свойств исходного сырья, в то время как продукты из неорганических компонентов в целом сохраняют свои эксплуатационные показатели.

Композиционные

Композиты образуются только искусственными способами, для чего применяются механические (измельчение, дробление, резка), химические, термические и комбинированные операции.

В число последних входят:

• нагрев;
• уплотнение;
• охлаждение;
• растворение.

Нагрев и охлаждение используются для облегчения последующего формоизменения, уплотнение (прессование) – для преобразования заготовок в конечную продукцию, растворение – для ускорения обработки компонентов.

Для получения продукции, основой которой являются высокомолекулярные органические вещества, используют управляемые химические реакции, а для создания композитных конструкционных материалов с особыми свойствами — методы с применением высоких энергий.

В результате направленного энергетического воздействия, например, лазерного луча или плазмы, исходная структура веществ необратимо изменяется. В результате образуется продукция, свойства которой в природном виде воспроизвести невозможно.

Это направление материаловедения за последние годы развивается наиболее интенсивно, поскольку техника и потребности современного общества требуют материалов, которые обладали бы сочетанием нескольких противоречивых характеристик: например, высокой прочностью при малом весе.

Свойства конструкционных материалов

Их подразделяют на три группы – механические, физические и эксплуатационные.

Физические свойства конструкционных материалов — это параметры, которые можно измерить. Механические свойства считаются показателем поведения материала при различных условиях его нагружения. Эксплуатационные свойства определяют потребительскую ценность материала, например, долговечность и износостойкость.

Обычно все виды свойств рассматривают совместно.

Механические свойства

Определяются химическим составом и внутренней структурой материала, например размером зерна или направлением волокон. На уровень этих свойств влияют условия обработки, особенно, если обработка сопровождается перестройкой внутренней структуры. Уровень механических свойств зависит от условий применения.

Многие механические свойства взаимозависимы: высокие характеристики в одной категории могут сочетаться с более низкими характеристиками в другой. Например, более высокая прочность может быть достигнута за счет более низкой пластичности. Таким образом, верное понимание среды, в которой работает изделие, приводит к выбору оптимального материала.

Основные механические свойства:

• предельное сопротивление внешним нагрузкам – растяжению, сжатию, изгибу, сдвигу;
• деформируемость без потери целостности;
• упругость;
• удельная вязкость разрушения.

Физические свойства

Наряду с механическими определяют способность материала удовлетворять производственным требованиям, однако в большинстве случаев мало изменяются от условий внешней обработки.

Основные физические свойства:

• плотность;
• электропроводность;
• теплопроводность/теплоёмкость (иногда сюда же вносят температуропроводность);
• температуры перехода в различное структурное состояние;
• коэффициенты объёмного расширения.

Физические свойства могут измеряться непосредственно. Для каждого вида материала разработаны стандартные методики оценки, поэтому результат определяют узкие диапазоны значений. Выбор происходит обычно уже по заданным значениям физических параметров.

Технологические свойства

Используются для определения способности материала к обработке. Включают в себя пластичность и жёсткость, причём численные нормируемые параметры здесь отсутствуют. Технологические свойства конкретизируются для определённых условий обработки и устанавливаются исключительно по результатам испытаний на специализированном лабораторном оборудовании.

Эксплуатационные свойства

Необходимы для оценки долговечности/износотойкости изделия, которое изготовлено из данного конструкционного материала. Износостойкость — это мера способности материала противостоять контактному трению, которое может принимать различные формы:

• адгезию (сцепление;
• истирание;
• царапание, долбление;
• температурный износ.

Управление фактическими эксплуатационными показателями входит в число обязательных этапов конструирования детали или узла.

Химические свойства

Более значимы для материалов, состав которых может изменяться под влиянием внешних условий. К таким свойствам относят:

• стойкость против коррозии (для металлов);
• химическая стабильность (для пластика;
• инертность при воздействии внешних агрессивных сред.

Стабильность химических свойств имеет решающее значение при выборе типа композитов.

Физические и химические свойства конструкционных материалов

К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий — серебристо-белый.

Плотность р металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы подразделяют на легкие (менее 4500 кг/м) и тяжелые.

Плотность имеет большое значение при создании различных изделий.

Например, в самолето-и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления tпл называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам 3416 °С, тантал 2950 °C, титан 1725 °C и др.

) и легкоплавкие (олово 232 °С, свинец 327 °С, цинк 419,5 °C, алюминий 660 °С) металлы.

Температура плавления важна при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий.

Теплопроводностью Л называют способность металлов передавать теплоту от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминий обладают высокой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в 3 раза ниже, чем алюминий, и в 5 раз ниже, чем медь.

Теплопроводность следует учитывать при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит теплоту, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) он склонен к образованию трещин.

Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью.

Тепловым расширением называют свойство металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться — при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения а.

Тепловые расширения необходимо учитывать при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, валков прокатных станов, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество теплоты. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости с, которая равна отношению теплоемкости однородного тела к его массе.

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками — электропроводностью g и электросопротивлением r. Хорошая электропроводность необходима, например, для токоведущих проводов, поэтому для их производства используют медь и алюминий.

При изготовлении электронагревателей приборов и печей требуются сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением — увеличивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью ua — способностью металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными.

Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства характеризуют способность материала к взаимодействию с внешней средой, в частности, способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем активнее металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием внешней агрессивной среды на их поверхность называют коррозией.

Окисляемость — способность материалов взаимодействовать с кислородом и образовывать оксиды, растворимость — способность вещества образовывать с другим веществом (или веществами) гомогенные смеси с дисперсным распределением компонентов. Сопротивление металлов коррозии, окислению и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитывают при изготовлении и работе изделий в условиях высоких температур и под воздействием химически агрессивных сред.

Свойства конструкционных материалов

Различают физические и химические; механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.

Физические свойства — свойства, присущие веществу вне химического взаимодействия. К ним относятся: плотность, температура плавления, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, магнитная проницаемость и др.

Химические свойства — свойства, имеющие отношение к химическим процессам, т.е. проявляемые в процессе химической реакции и влияющие на нее.

Химические свойства определяются химической активностью материала, его способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими средами, со шлаками и расплавленными металлами и т.д.

К числу основных химических свойств относятся: растворимость в жидких средах; коррозионная стойкость (определяемая скоростью потери или увеличения массы) на воздухе, в растворах солей, кислот и щелочей; жаростойкость — сопротивление окислению при высоких температурах.

Технологические и эксплуатационные свойства

Технологические свойства — характеризуют способность материалов свариваться, обрабатываться резанием и давлением и т.д.

В целом, от технологических свойств зависят затраты труда, машинного времени и инструмента на то, чтобы получить единицу продукции.

Показателями технологических свойств являются: свариваемость, штампуемость, допустимые скорость и глубина резания (обрабатываемость резанием), литейные характеристики сплавов (жидкотекучесть, величина линейной и объемной усадки, трещи- ностойкость) и др.

Эксплуатационные, или служебные, свойства характеризуют способность материала работать в различных условиях. Важнейшими среди них являются: надежность, долговечность, износостойкость, фрикционные свойства (коэффициент трения, склонность к задирам на трущихся поверхностях), хладостойкость, повреждаемость в условиях радиации и др.

Рабочая среда (газообразная, жидкая, ионизированная, радиационная, низкие или повышенные температуры эксплуатации) чаще всего отрицательно влияет на работоспособность изделия.

Повреждается поверхность изделия вследствие коррозионного растрескивания, окисления, образования окалины, изменения химического состава поверхностного слоя (например, насыщение поверхности водородом вызывает охрупчивание).

Под воздействием ионизированного или радиационного облучения возможно местное разрушение материала.

Для противостояния воздействию рабочей среды конструкционный материал должен обладать определенным набором физико-химических свойств: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью, влагостойкостью, радиационной стойкостью и т.д. Современные изделия работают в температурном диапазоне от -270 до +2500 °С. Для обеспечения работоспособности изделия при повышенных температурах материал должен обладать жаропрочностью, а при пониженных — хладостойкостью.

Некоторые изделия предъявляют к материалам дополнительные требования: заданные тепловые, магнитные, электрические свойства, высокая стабильность размеров.

Долговечность — свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения. Постепенное разрушение — потеря работоспособности, при наступлении которой детали заменяют без угрозы аварийных последствий.

Причинами постепенного разрушения могут быть: процессы усталости, изнашивания, ползучести, коррозии и т.д. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений. Обеспечить долговечность — значит обеспечить уменьшение скорости накопления необратимых повреждений.

6. Конструкционные материалы

6.1. Свойства конструкционных материалов

Все конструкционные материалы можно
условно разделить на однородные икомпозиционные,
металлические и неметаллические(Рисунок
6.1).

Металлы – химические элементы,
образующие в свободном состоянии простые
вещества с металлической связью между
атомами.

Сплавы– твердые вещества,
образованные сплавлением двух или более
компонентов. 
Сплав образуется в
результате как чисто физических процессов
(растворение, перемешивание), так и в
результате химического взаимодействия
между элементами.

 
Разнообразие
состава типов межатомной связи и
кристаллических структур сплавов
обуславливает значительное различие
их физико-химических, электрических,
магнитных, механических, оптических и
других свойств.

 
Сплавы на основе
железа называютсячерными, на
основе других металловцветными.

Неметаллические материалы–
неорганические и органические материалы,
композиционные материалы на неметаллической
основе, клеи, герметики, лакокрасочные
покрытия, графит, стекло, керамика и
т.д.

• Полимеры– вещества, макромолекулы
  которых состоят из многочисленных
  элементарных звеньев (мономеров)
  одинаковой структуры.
• Композиционные материалы–
  гетерофазные (состоящие из различных
  по физическим и химическим свойствам
  фаз) системы, полученные из двух и более
  компонентов с сохранением индивидуальности
  каждого отдельного компонента.
• При этом:

• материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела);
• один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим.

1. В приборостроении большое применение
   находят различные неметаллические
   материалы, такие как пластмассы,
   резина, стекло, керамика, лакокрасочные
   иклеевые материалы, причем с
   развитием химии и новых технологий доля
   неметаллических материалов в
   приборостроении постоянно увеличивается.
2. Выбор пластмасс определяется назначением
   детали и характерной особенностью ее
   получения (прессование, литье и другие
   способы), причем особенности строения,
   механические и физические свойства
   пластмасс существенно влияют на
   конструкцию детали и способ ее
   изготовления.
3. Применение порошковых материалов
   определяется необходимостью изготовления
   изделий с особыми свойствами и структурой,
   которые недостижимы другими методами
   производства, либо изделий с обычным
   составом, структурой и свойствами, но
   при значительно более выгодных
   экономических показателях производства.
4. Свойства конструкционных материалов
   подразделяются на:

• механические;
• технологические;
• эксплуатационные.

К механическим свойствам относятся:

• прочность;
• упругость;
• пластичность;
• твердость;
• ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и
долговечность конструкции.

Прочность– это способность
материала  сопротивляться деформации
и разрушению.

Деформациейназывается изменение
размеров и формы тела под действием
внешних сил. Деформации подразделяются
на упругие и пластические. Упругие
деформации исчезают после окончания
действия сил, а пластические остаются.

Пластичность– способность
материала деформироваться.

Пластичность
обеспечивает конструктивную прочность
деталей под нагрузкой и нейтрализует
влияние концентраторов напряжений –
отверстий, вырезов и т.п.

При пластическом
деформировании металла одновременно
с изменением формы изменяется ряд
свойств, в частности при холодном
деформировании повышается прочность,
но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик
материалов определяют в результате
испытания образцов на растяжение (ГОСТ
1497-84).

При растяжении образцов с площадью
поперечного сечения S0
 и рабочей (расчетной) длиной
lо строят диаграмму растяжения
в координатах: нагрузкаP–
удлинение  ∆lобразца
(рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Диаграмма растяжения

Диаграмма растяженияхарактеризует
поведение металла при деформировании
от момента начала нагружения до разрушения
образца. На диаграмме выделяют три
участка:

• упругой деформации – до нагрузки Рупр;
• равномерной пластической деформации от Рупр до Рмах;
• и сосредоточенной пластической деформации от Рмахдо Рк.

Если образец нагрузить в пределах Рупр,
а затем полностью разгрузить и замерить
его длину, то никаких последствий
нагружения не обнаружится.

Закон Гука для линейного участка
диаграммы: σ = Е ε, где Е – называется
модулем упругости или модулем Юнга. Е
имеет размерность кг/см2и является
одной из физических констант материала.
Модуль упругости при растяжении численно
равен тангенсу угла наклона диаграммы
напряжений к оси абсцисс.

Между относительной поперечной
деформацией и относительной продольной
деформацией при простом растяжении и
сжатии в пределах применимости закона
Гука существует постоянное соотношение,
абсолютная величина которого называется
коэффициентом Пуассонаμ = ε1/ε
– безразмерная величина и для всех
изотропных материалов лежит в пределах
0 – 0,5 ( 0 для пробки, 0,5 для каучука, для
стали 0,3 ).

При нагружении образца
более Рупрпоявляетсяостаточная
(пластическая) деформация.Пластическое
деформирование идет при возрастающей
нагрузке, так как металл упрочняется в
процессе деформирования. 
Упрочнение
металла при деформировании
называетсянаклепом.

При дальнейшем нагружении пластическая
деформация, а вместе с ней и наклеп все
более увеличиваются, равномерно
распределяясь по всему объему
образца.

 
После достижения
максимального значения нагрузки Рмахв
наиболее слабом месте появляется местное
утонение образца – шейка, в которой в
основном и протекает дальнейшее
пластическое деформирование.

В связи
с развитием шейки, несмотря на
продолжающееся упрочнение металла,
нагрузка уменьшается отРмахдо Рк, и
при нагрузке Ркпроисходит
разрушение образца. 
При этом упругая
деформация образца  исчезает, а
пластическая ∆lостостается.

При деформировании твердого тела внутри
него возникают внутренние силы. Величину
сил, приходящуюся на единицу площади
поперечного сечения образца, называют
напряжением.Размерность
напряжения МПа.

• Пользуясь указанными характеристиками,
  и зная площадь сечения образца S0,
  определяют основные характеристики
  прочности материала:
• σпц= Рпц/S0- предел пропорциональности; σуп= Руп/S0- предел
  упругости; σт= Рт/S0- предел текучести; σв= Рмах/S0- предел прочности или временной
  сопротивление; σк= Рк/S0- напряжение в момент разрыва.
• Поскольку диаграмма растяжения металлов характеризует не только свойства
  металлов, но и размеры образца, то ее
  принято перестраивать в относительных
  координатах σ – ε, такая диаграмма
  называется диаграммой напряжений.
• Пластичностьхарактеризуется
  относительным удлинениеми относительным сужением:

где l0,S0- начальные длина и площадь поперечного
сечения образца;lk,Sk — конечная длина и площадь в месте
разрыва.

Допустимые значения напряжений в
расчетах выбирают меньше в 1,5 — 2,5 раза.

Твердость– это сопротивление
материала проникновению в его поверхность
стандартного тела (индентора). О твердости
судят либо по глубине проникновения
индентора, либо по величине отпечатка
от вдавливания. Во всех случаях происходит
пластическая деформация материала. Чем
больше сопротивление материала
пластической деформации, тем выше
твердость.

Наибольшее распространение получили
методыопределения твердости Бринелля,
Роквелла, Виккерса и микротвердости.
Схемы испытаний представлены на Рисунке
3.4.

Рисунок 6.3 – Схема определения твердости
материала 
по Бринеллю (а), по Роквеллу
(б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют на
твердомере Бринелля.В качестве
индентора используется стальной
закаленный шарик диаметром  Д = 
2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины
изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух
направлениях при помощи лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение
приложенной нагрузки Р  к сферической
поверхности отпечатка.

Метод Роквелла основан на
вдавливании в поверхность под определенной
нагрузкой наконечника в виде шарика
или алмазного конуса. Для мягких
материалов (до НВ 230) используется 
стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6
мм), для более твердых материалов –
конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа.
Сначала прикладывается предварительная
нагрузка Р0(100 н) для плотного
соприкосновения наконечника с образцом.
Затем прикладывается основная нагрузка Р1,
в течение некоторого времени действует
общая рабочая нагрузка Р. После снятия
основной нагрузки определяют значение
твердости по глубине остаточного
вдавливания наконечникаhпод
нагрузкойP.

Твердость по Виккерсуопределяется
по величине отпечатка индентора: алмазная
четырехгранная пирамида с углом при
вершине 136o.

Твердость рассчитывается как отношение
приложенной нагрузки  Р  к
площади поверхности отпечатка.

Нагрузка Р  составляет 50…1000 н.
Диагональ отпечатка  dизмеряется при помощи микроскопа,
установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что
можно измерять твердость любых материалов,
тонких изделий, поверхностных слоёв.
Метод обеспечивает высокую точность
при высокой чувствительности.

Способ микротвердости–
используется для определения твердости
отдельных структурных составляющих и
фаз сплава, очень тонких поверхностных
слоев (сотые доли миллиметра). Метод
аналогичен способу Виккерса. Индентор
– пирамида меньших размеров, нагрузки
при вдавливанииPсоставляют
5…500 н.

Ударная вязкостьхарактеризует
надежность материала, его способность
сопротивляться хрупкому разрушению.
Испытания на ударную вязкость производят
на маятниковых копрах. Испытуемые
образцы имеют надрезы определенной
формы и размеров.

Образец устанавливают
на опорах копра надрезом в сторону,
противоположную удару ножа маятника,
который поднимают на определенную
высоту.

Ее определяют по ГОСТ как удельную
работу разрушения призматического
образца с концентратором (надрезом)
посередине одним ударом маятникового
копра: КС = К/S, где К — работа
разрушения;S- площадь
поперечного сечения образца в месте
концентратора. Измеряется в МДж/м2.ОбозначаютKCU,KCV,KCT,U,V,T- вид концентратора (U,V- образный; Т — трещина
усталости).

1. Технологические свойства 
   конструкционных материалов.
2. Технологические свойства характеризуют
   способность материала подвергаться
   различным способам холодной и горячей
   обработки.
3. К технологическим свойствам металлов
   и сплавов относятся:

• литейные свойства;
• деформируемость;
• свариваемость;
• обрабатываемость режущим инструментом.

• Эти свойства позволяют производить
  формоизменяющую обработку и получать
  заготовки и детали машин.
• Литейные свойствахарактеризуют
  способность материала к получению из
  него качественных отливок.
• Литейные свойства определяются
  способностью расплавленного металла
  или сплава к заполнению литейной формы
  (жидкотекучесть), степенью химической
  неоднородности по сечению полученной
  отливки (ликвация), а также величиной
  усадки – сокращением линейных размеров
  при кристаллизации и дальнейшем
  охлаждении.

Способность материала к обработке
давлением– это способность
материала изменять размеры и форму под
влиянием внешних нагрузок не разрушаясь
(обработка без снятия стружки).

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.

Свариваемость– это способность
материала образовывать неразъемные
соединения требуемого качества при
сварке. Свойство оценивается по качеству
сварного шва.

Обрабатываемость резанием–
характеризует способность материала
поддаваться обработке режущим
инструментом. Оценивается по стойкости
инструмента и по качеству обработанной
поверхности.

Технологические свойства часто определяют
выбор материала для конструкции.
Разрабатываемые материалы могут быть
внедрены в производство только в том
случае, если их технологические свойства
удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное
производство, предъявляет к технологическим
свойствам материала особые требования:
проведение сварки на больших скоростях,
ускоренное охлаждение отливок, обработка
резанием на повышенных режимах и т. п.
при обеспечении необходимого условия
– высокого качества получаемой продукции.

Эксплуатационные свойствахарактеризуют
способность материала работать в
конкретных условиях:

• износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;
• коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;
• жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;
• жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость  при высоких температурах;
• хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;
• 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
учитывать конструкционные, технологические
и эксплуатационные свойства.