Влияние пластической деформации структуру свойства металла

Пластическая деформация – эффективный инструмент формирования структуры различных материалов. На ее особенностях основаны технологии обработки давлением, придание материалам особых свойств, создание наноматериалов.

Понятие деформации

Под термином «деформация» понимаются любые изменения структуры, формы, размеров тел. Она происходит под влиянием напряжений — сил, которые действуют на единицу площади сечения заготовок или деталей. Деформация металла обусловлена:

• внешними силами;
• усадкой;
• структурными превращениями;
• внутренними физико-механическими процессами.

Примеры прилагаемых к телу нагрузок:

• сжатие – нагрузка прикладывается соосно по направлению к телу;
• растяжение – возникает при продольном от тела приложении нагрузки (соосно или параллельно плоскости, в которой находятся точки крепления тела);
• изгиб – нарушение прямолинейности главной оси тела;
• кручение – возникает при приложении к телу крутящего момента.

• Механизм и виды деформирования изучаются материаловедением, физикой твердого тела, кристаллографией.
• Твердые тела подвержены двум видам деформации:
• В таблице приведены сравнительные характеристики этих явлений.

Пластическое деформирование ведет к модификациям в структурах металлов и их сплавов, а, следовательно, к изменениям их свойств.

Механизм возникновения

Возникновение пластической деформации обусловлено процессами, имеющими кристаллографическую природу: скольжением; двойникованием; межзеренным перемещением.

Скольжение

Происходит под воздействием касательных напряжений. Проявляется в виде перемещения одной части кристалла относительно другой. Этот процесс, в пределах кристалла, называется линейной дислокацией.

Когда линейная дислокация выходит из кристалла, на его поверхности возникает ступенька, равная одному периоду решетки. Увеличение напряжения ведет к перемещению новых атомных плоскостей. Образуются новые ступеньки единичных сдвигов на поверхности кристалла.

Чтобы дислокация продвинулась, не требуется разрывать все атомные связи в плоскости скольжения. Межатомная связь разрывается только в краевой зоне дислокации.

Современная теория основана на положениях:

• последовательность распространения скольжения в плоскости сдвига;
• место возникновения скольжения – это область нарушения кристаллической решетки, возникающая при нагружении кристалла.

Одно из свойств металла – теоретическая прочность. Ее используют для характеристики сопротивления пластическому деформированию. Она определяется силами межатомных связей в кристаллических решетках и значительно превышает реальную. Так для железа прочность:

• 30 кг/мм — реальная;
• 1340 кг/мм — теоретическая.

Различие вызвано тем, что для движения дислокации разрушаются лишь связи между атомами, находящимися у края дислокации, а не все атомные связи. Для этого необходимы меньшие усилия.

Двойникование

Это процесс образования в кристалле областей с закономерно измененной ориентацией кристаллической структуры. Двойникованием достигается незначительная степень деформации.

Двойниковые образования возникают по одному из двух механизмов:

• являются зеркальной переориентацией структуры матрицы (материнского кристалла) в некоторой плоскости;
• путем поворота матрицы на определенный угол вокруг кристаллографической оси.

Двойникование свойственно кристаллам, имеющим решетки:

• гексагональную (магний, цинк, титан, кадмий);
• объемно-центрированную (железо, вольфрам, ванадий, молибден).

1. Склонность к нему повышается при увеличении скорости деформации и снижении температуры.
3. Двойникование в металлах с кубической гранецентрированной решеткой (алюминий, медь) — результат отжига заготовки, которая подверглась пластическому деформированию.

Межзеренное перемещение

Такое изменение структуры материала идет вод воздействием растягивающего усилия.

Процесс, в первую очередь, начинается в зерне, в котором направление легкого скольжения совпадает с направлением действия нагрузки. Это зерно будет растягиваться.

Соседние зерна при этом будут разворачиваться до того момента, когда в них направление легкого скольжения также совместится с направлением силы. После они начнут деформироваться.

Результат межзеренного перемещения – волокнистая структура материала. Его механические свойства неодинаковы в разных направлениях:

• пластичность выше в направлении, параллельном действию растягивающего усилия, чем в перпендикулярном направлении;
• прочность имеет высокие показатели поперек приложению усилия, в продольном направлении – показатели ниже.

Эта разница свойств называется анизотропия

Виды пластической деформации

В зависимости от температуры и скорости процесса различают такие виды пластической деформации:

Одно из определяющих понятий — температура рекристаллизации. Она соответствует наименьшей температуре нагрева, при которой возможно возникновение новых зерен и определяется температурой плавления металла по формуле:

tрек=0,4×tпл.

Холодная деформация. Наклеп

Холодная деформация проходит при температурах, ниже tрек. В ее результате возникает искажение кристаллической структуры материала. Все зерна растягиваются в одном направлении. Растет прочность, а свойства пластичности снижаются. Это упрочнение называется наклеп (нагортовка). Он может быть:

• полезным — наклепанный слой формируется специально, например в дробеметных машинах, накатыванием поверхностей роликами или шариками, чеканкой бойками, гидроабразивными методами;
• неумышленным (вредным) – возникает при воздействии на металл существенных давлений со стороны обрабатывающего инструмента.

Причина наклепа заключается в развороте плоскостей скольжения и усилении искажений кристаллической решетки. Упрочненный, наклепанный металл быстро вступает в химические реакции, хорошо корродирует и склонен к коррозионному растрескиванию. Деформировать его затруднительно. Но наклеп повышает свойство сопротивления усталости.

В прокатном производстве этот тип деформации применяется для обработки давлением пластичных металлов, заготовок с малым сечением. Такие методы, как штамповка и волочение, позволяют достичь требуемой чистоты поверхности и обеспечить точность размеров.

Устранить изменения в структуре, которые появляются при холодной деформации, возможно термообработкой (отжигом).

При отжиге подвижность атомов повышается. В металле из множественных центров вырастают новые зерна, которые заменяют вытянутые, деформированные. Они характеризуются одинаковыми размерами во всех направлениях. Это эффект называется рекристаллизацией.

Горячая деформация

Горячая деформация имеет такие характерные признаки:

1. Температура, выше tрек.
2. Материал приобретает равноосную (рекристаллизованную) структуру.
3. Сопротивление материала деформированию ниже в десять раз, чем при холодной.
4. Отсутствует упрочнение.
5. Свойства пластичности более высокие, чем при холодной.

Благодаря этим обстоятельствам, технологии горячей деформации применяются при обработке давлением крупных заготовок, малопластичных и сложно деформируемых материалов, литых заготовок. При этом используется оборудование меньшей мощности, чем для холодной деформации.

Недостаток процесса — возникновение окалины на поверхности заготовок. Это снижает показатели качества и возможность обеспечения требуемых размеров.

Процессы, после которых структура образцов рекристаллизована частично с признаками упрочнения, называются неполной горячей деформацией.

Она является причиной неоднородности структуры металла, пониженных механических и пластических характеристик.

Регулированием соответствия скорости деформирующего воздействия и рекристаллизации, можно достичь условий, при которых рекристаллизация распространится во всем объеме обрабатываемой заготовки.

Рекристаллизация начинается после окончания деформирования. При значительных температурах описанные явления происходят за секунды.

Таким образом, особенности воздействия холодной деформации используются для улучшения рабочих характеристик изделий. Сочетанием горячей и холодной деформаций, режимов термообработки можно воздействовать на изменение этих свойств в требуемых пределах.

Интенсивная пластическая деформация

Получить беспористые объемные металлические наноматериалы можно технологиями интенсивной пластической деформации (ИПД). Их суть заключается в деформировании металлических заготовок:

• при относительно небольших температурах;
• при повышенном давлении;
• с высокими степенями деформации.

Это обеспечивает формирование гомогенной наноструктуры с большеугловыми границами зерен. Вопреки интенсивному воздействию, образцы не должны получать механические повреждения и разрушаться.

Технологии ИПД:

1. кручение (ИПДК);
2. разноканальное угловое прессование;
3. всесторонняя ковка;
4. мультиосевое деформирование;
5. знакопеременный изгиб;
6. аккумулированная прокатка.

Первые работы по созданию наноматериалов выполнены в 80х-90х годах ХХ века с использованием методов кручения и разноканального прессования.  Первый метод применим для небольших образцов – получаются пластинки диаметром 10…20 мм и толщиной до 0,5 мм. Для того чтобы получить массивные наноконструкции используется второй метод, в основу которого положена деформация сдвигом.

Методы пластической деформации позволяют получать заготовки из стали, сплавов цветных металлов и других материалов (резина, керамика, пластмассы).

Они высокопроизводительные, позволяют обеспечить требуемое качество получаемых изделий, улучшить их механические свойства.

3.5. Влияние пластических деформаций на структуру и свойства металла

Раздел: БИБЛИОТЕКА ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Короткий путь http://bibt.ru

Адрес этой страницы' ?>

Оглавление книги Предыдущая Следующая

С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость) (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства низкоуглеродистой стали

Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла — образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла.

В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т.

е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла.

При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25 …0,30) Tпл, где Tпл – абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии.

При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47Tпл одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации — зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла.

При горячей пластической деформации, совершающейся при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, в металле протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения.

Если за время деформации рекристаллизация произойдет полностью, то вызываемого упрочнением изменения свойств металла не произойдет. Скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, значительно меньше скорости процесса упрочнения.

В результате рекристаллизации металл в процессе горячей обработки несколько разупрочняется и стремится приобрести равноосную неориентированную структуру.

Рис. 3.8. Диаграмма рекристаллизации низкоуглеродистой стали

Величина зерен металла μ зависит в основном от температуры и относительной деформации (рис. 3.8). Относительная деформация, равная обычно 5 — 10%, называется критической, поскольку при ней получается максимальная величина зерна.

Обрабатывать металл в интервале критических относительных деформаций не рекомендуется. С возрастанием температуры критическая относительная деформация сдвигается влево.

Величина зерна в металле тем меньше, чем больше послекритическая относительная деформация.

Холодной деформации, как правило, подвергают предварительно деформированные заготовки (сортовой прокат, листы и т. д.), а горячей — как деформированные, так и литые, например в виде слитков.

При горячей обработке давлением слитков разрушается дендритная структура металла, завариваются дефекты (микропоры и неокисленные газовые пузыри), отдельные кристаллиты и неметаллические включения дробятся и вытягиваются в направлении преимушественного течения металла.

Структура металла с расположенными вдоль его течения вытянутыми, а иногда и разорванными на отдельные цепочки неметаллическими включениями называется волокнистой. При последующей термообработке изменить такую структуру невозможно, а повторная обработка давлением может лишь изменить направление волокон.

Следствием такой структуры является анизотропия механических свойств металла вдоль и поперек его волокон. Это учитывают при проектировании, технологической разработке и изготовлении изделий. При обработке резанием нежелательно перерезать волокна, так как это снижает прочность деталей. Из двух коленчатых валов, показанных на рис. 3.

9, более прочным будет вал, изготовленный ковкой без перерезания волокон.

Рис. 3.9. Расположение волокон в коленчатом вале, изготовленном резанием (а), ковкой (б)

Зависимость механических свойств металла от укова показана на рис. 3.10.

Пластические свойства металла, а также ударная вязкость в продольном направлении возрастают с увеличением укова до 6—10, после чего они остаются приблизительно постоянными.

В поперечном направлении эти свойства с увеличением укова уменьшаются, поэтому при необходимости их повысить изменяют направление волокон, например осадкой заготовки.

Рис. 3.10. Зависимость от величины укова относительного удлинения и ударной вязкости продольных и поперечных образцов из поковки, откованнной из стального слитка массой 100 т

Перейти вверх к навигации

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла

Пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения трёх видов:

1) изменяются форма и размеры зёрен. До деформации металл имеет равноосную структуру. В процессе деформации зёрна вытягиваются вдоль плоскостей скольжения и структура становится волокнистой (рис. 3.7.) Кроме того, при большой степени деформации происходит дробление зёрен;

До деформации После пластической деформации

Рис. 3.7. Схема изменения формы и размеров зёрен при пластической деформации

2) после значительной деформации возникает преимущественная пространственная ориентация зёрен, которая называется текстурой деформации (рис. 3.8).

Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации [1]. Текстуру не следует отожествлять с волокнистой структурой. Волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой.

Образование текстуры способствует появлению анизотропии металла;

Рис. 3.8. Схема влияния деформации прокаткой на структуру

• поликристаллического металла: зёрна вытягиваются вдоль
• направления прокатки и возникает текстура (стрелки соответствуют
• одному и тому же кристаллографическому направлению)

3) происходят изменения в субструктуре. Одновременно с изменением формы зерна происходит формирование субзёрен и увеличение угла разориентировки между ними. Возрастает плотность дислокаций до 109 …1012 см–2.

С увеличением степени холодной деформации прочностные характеристики увеличиваются, а пластичность уменьшается. Это явление называют наклёпом или нагартовкой.

Упрочнение металла при пластической деформации объясняется увеличением количества дефектов кристаллического строения.

Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, в результате чего повышается сопротивление деформации и уменьшается пластичность металла. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются сильнее, чем металлы с ОЦК решёткой.

Разрушение металлов

Разрушение – это процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. Механизм зарождения трещин одинаков при хрупком и вязком разрушении. Чаще всего микротрещина возникает из-за скопления дислокаций перед препятствием (границы зёрен, всевозможные включения и т.д.).

При своем росте трещина окаймлена узкой зоной пластической деформации. На создание этой зоны затрачивается дополнительная энергия (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Схема образования трещин

Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой размерами этой зоны. При вязком разрушении размеры этой зоны больше и на её образование затрачивается много энергии.

Поэтому скорость распространения трещины небольшая. При хрупком разрушении зона пластической деформации небольшая и скорость распространения трещины достигает 2500 м/с.

Поэтому хрупкое разрушение называют «внезапным» или «катастрофическим» разрушением.

С точки зрения микроструктуры разрушение может быть транскристаллитное и интеркристаллитное. При транскристаллитном разрушении трещина распространяется по телу зерна, а при интеркристаллитном она происходит по границам зёрен. При распространении трещины по телу зерна может происходить как вязкое, так и хрупкое разрушение.

Межзеренное разрушение всегда является хрупким [2]. Хрупкое и вязкое разрушения имеют различные изломы. После хрупкого разрушения излом кристаллический блестящий. Вязкое разрушение, как было отмечено выше, происходит после значительной пластической деформации, которая искажает форму зерен. Поэтому излом – волокнистый матовый.

Хрупкому разрушению способствуют следующие основные факторы: 1) понижение температуры; 2) повышение скорости деформации; 3) концентраторы напряжений; 4) структурные факторы (размер зерна, выделение хрупких фаз по границам зёрен и т.д.); 5) повышение прочности, как правило, увеличивает склонность к хрупкому разрушению; 6) размеры изделия, чем они больше, тем больше вероятность хрупкого разрушения.

Понижение температуры обуславливает переход от вязкого к хрупкому разрушению. Это явление называется хладноломкостью. Интервал температур, в котором происходит переход от вязкого разрушения к хрупкому, называют порогом хладноломкости.

Для определения порога хладноломкости проводят сериальные испытания на ударную вязкость. Температура, при которой работают изделия из металлов, должна значительно превышать порог хладноломкости.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов при холодном деформировании

При пластической деформации металлов и сплавов структура их значительно изменяется. Последнее приводит к изменению физико-механических и химических свойств деформированного металла. Если исходный литой металл имеет зерна различной формы и ориентировки (см. рис. 6.

1, а), то при степени деформации 9% наблюдается начало ориентировки, отдельных зерен в направлении действия внешней силы (см. рис. 6.1,6); при по­вышении степени деформации до 27,% зерна еще больше вытя­гиваются в направлении деформирования (см. рис. 6.

1, б), об­разуя при более высоких степенях деформации волокнистую структуру.

Одновременно с изменением формы зерна в процессе дефор­мирования происходит поворот кристаллографических осей от­дельных зерен в пространстве. По мере протекания пластиче­ской деформации разница в направлении этих осей отдельных зерен уменьшается, а плоскости скольжения

стремятся распо­ложиться по направлению наиболее интенсивного течения ме­талла. Это приводит к тому, что при значительных степенях деформации металла в холодном состоянии возникает преимущественная ориентировка кристаллографических осей зёрен поликристалла, называемая текстурой. Образование текстуры сопровождается появлением анизотропии механических и физических свойств металла.

С увеличением степени холодной деформации, осуществляемой при температуре ниже температуры рекристаллизации,( ниже 0,2Тпл), монотонно увеличиваются прочностные показатели металла и уменьшаются показатели пластичности (рис. 6.

2), а также увеличивается электросопротивление и уменьшается коррозионная стойкость и т. д.

Совокупность явле­ний, связанных с изменением механических и физико-химических свойств металла при холодном пластическом деформировании, называется наклёпом ( упрочнением).

Изменение механических свойств при холодном пластическом деформировании связано с увеличением сопротивления

смещению дислокации по мере развития деформирования вследствие пересечения и искривления плоскостей скольжения, застревания дислокаций, появления обломков зёрен в пачках скольжения и блокировки ими плоскостей скольжения и т.д.

Кроме того, по плоскостям скольжения, очевидно, значительно увеличивается температура металла, что приводит к выделению на них субмикроскопических частиц карбидов, которые блоки­руют сдвиги и способствуют упрочнению металла. Все эти факторы способствуют повышению прочности и снижению пластич­ности

металла и приводят, к изменению его физико-механических свойств.

Вместе с тем исследованиями уста­новлено, что при холодном пластиче­ском деформировании металлов и их сплавов при определенных степенях де­формации, разных для различных метал­лов, существуют критические степени де­формации, при которых наблюдаются на­рушения монотонности изменения плас­тичности и других свойств с увеличением суммарной степени деформации благо­даря протеканию так называемого явле­ния атермического разупрочнения. Явле­ние атермического разупрочнения имеет дислокационный характер, при котором происходит радикальная перестройка дислокационной структуры, при этом из­меняется как средний размер дислокаци­онных ячеек, так и величина вытянутых дислокационных образований.

Рис. 6.2. Влияние холодной пластической деформа­ции на механические свой­ства низкоуглеродистой стали:

1 – HRB, 2 – σв ; 3 — δ

Указанное явление прежде всего проявляется в направлении действия максимальных касательных напряжений. Благодаря перестройке дислокационной структуры существенно увеличи­вается длина свободного пробега дислокации. Явление атерми­ческого разупрочнения используют при пластическом деформированни для стабилизации свойств готовой продукции.

Влияние пластической деформации на структуру и свойства металлов

Как уже отмечалось, при обработке металлов давлением одновременно могут протекать процессы упрочнения и разупрочнения. Поэтому окончательные результаты влияния деформации на структуру и свойства металлов зависят от того, какие из этих процессов будут влиять сильнее. В связи с этим С. И. Губкин предложил различать горячую, неполную горячую, неполную холодную и холодную деформации.

Процесс горячей деформации протекает при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, поэтому в результате нее металл не получает упрочнения. Рекристаллизация успевает пройти полностью, новые равноосные зерна заменяют все деформированные зерна, и искажения кристаллической решетки отсутствуют.

Неполная горячая деформация характеризуется незавершенностью рекристаллизации, которая не успевает закончиться во время деформации, так как ее скорость ниже, чем скорость деформации. Наряду с рекристал-лизованными зернами часть зерен в металле остается деформированной, и металл частично упрочняется.

В нем могут возникать значительные остаточные напряжения, способные привести к разрушению материала. Этот вид деформации наиболее вероятен при температурах, незначительно превышающих температуру рекристаллизации. Кроме того, вероятность этого вида деформации увеличивается с возрастанием скорости деформации.

Неполной горячей деформации следует избегать (особенно при обработке литого металла), так как она приводит к резкому снижению качества заготовок. Этот вид деформации часто наблюдается в сплавах с малой скоростью рекристаллизации (например, в некоторых многофазных алюминиевых или магниевых сплавах).

Поэтому целесообразно проводить деформирование таких сплавов с низкими скоростями.

Неполная холодная деформация — это деформация, при которой рекристаллизация не происходит, но успевает пройти процесс возврата, который устраняет неравновесные избытки точечных дефектов, и перестраивается дислокационная структура, формирующаяся при деформации. В результате возврата плотность дислокаций снижается.

Температура неполной холодной деформации располагается выше температуры начала возврата, а скорость деформации не превышает скорости возврата. Остаточные напряжения в значительной мере снимаются, а интенсивность упрочнения понижается.

Пластичность металла после этого вида деформации выше, чем у металла, деформированного при отсутствии возврата, а прочностные свойства несколько ниже.

При холодной деформации разупрочняющие процессы (возврат и рекристаллизация) не происходят, и металл после нее только упрочняется. Температурный интервал холодной деформации расположен ниже температуры начала возврата, приблизительно от 0 до (0,2-0,25)7’пл.

Согласно приведенной классификации холодная и горячая деформация не связаны с конкретными температурами нагрева, а зависят только от протекания процессов упрочнения и разупрочнения.

Поэтому, например, деформация легкоплавкого чистого свинца при комнатной температуре относится к горячей деформации, так как температура рекристаллизации этого металла расположена в области отрицательных температур.

В обработке металлов давлением горячую пластическую обработку металлов применяют чаще, хотя она дороже и сложнее холодной. Применение горячей обработки оправдано повышением пластичности металлов и снижением усилий на деформацию.

Благодаря горячей обработке давлением можно деформировать крупногабаритные заготовки и снижать мощность деформирующего оборудования.

Холодная деформация используется обычно на конечных стадиях получения изделий для обеспечения точности размеров и высокого качества поверхности.

Рис. 2.9. Изменение структуры металла при прокатке

Холодная пластическая деформация вызывает в металле структурные изменения, включающие изменение формы кристаллитов, их кристаллографической пространственной ориентировки и внутреннего строения каждого кристаллита.

Основное изменение формы кристаллитов заключается в вытягивании их в направлении главной деформации растяжения, тогда структура становится волокнистой (рис. 2.9). Кристаллические решетки зерен приобретают преимущественную пространственную ориентировку, возникает текстура деформации.

Это одно из важнейших следствий кристаллографической направленности скольжения в каждом зерне по определенным плоскостям и направлениям пространственной решетки.

Важнейшее изменение внутреннего строения каждого кристаллита при холодной деформации — увеличение плотности дислокаций. Она может возрасти на 5-6 порядков. Кроме того, растет концентрация вакансий, появляются участки с локальной разориентировкои кристаллической решетки. При не слишком низкой энергии дефектов упаковки образуются микрополосы и формируется ячеистая структура.

Из-за волокнистости структуры и наличия текстуры деформации хо-лоднодеформированный металл характеризуется анизотропией свойств. Поэтому для оценки механических свойств изделий, полученных холодной деформацией, необходимо испытывать образцы, вырезанные как вдоль, так и поперек направления деформации.

В связи с этим в таких изделиях различают долевые, поперечные, а в объемных полуфабрикатах еще и высотные свойства. Обычно показатели пластичности и ударная вязкость поперечных образцов ниже, чем долевых.

Причина в том, что при вырезке поперек волокон возрастает число межзеренных границ, обогащенных примесями, которые менее пластичны, чем тело зерна.

Методические указания к лабораторным работам

• ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
• Тольяттинский государственный университет
• Кафедра «Материаловедение и механика материалов»
• МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
• по дисциплине «Материаловедение»
• Часть I
• (модули 1, 2, 3)

Page 2

Инженеру в его работе необходимы знания в области применения материалов, поскольку на практике приходится решать вопросы их подбора для конкретных условий эксплуатации.

Следствием неправильного выбора является плохое качество и недолговечность конструкций, машин и оборудования.

Нередко эти условия являются очень специфичными: низкие или высокие температуры, агрессивные химические среды, знакопеременные циклические нагрузки, особые условия трения и т.д. Часто материалы работают в условиях одновременного воздействия многих факторов.

Знания, в области применения, включают в себя широкий круг вопросов: данные по составу и свойствам материалов, способам изменения и улучшения свойств, а также поведению материалов в тех или иных условиях эксплуатации.

Поэтому конструкторы при выборе материала не могут учитывать один или два каких-либо критерия, например, прочность и пластичность при комнатной температуре, так как это не дает правильной оценки возможностей материала.

Обычно они пользуются комплексной характеристикой, называемой конструктивной прочностью, которая учитывает одновременно конструкционные, технологические и эксплуатационные факторы, а также требования экономической целесообразности.

Приняв во внимание многочисленность и разнообразие технических материалов по свойствам и поведению при работе, становится очевидным, что без знания принципов классификация материалов и способов их обозначения или маркировки невозможен выбор нужного материала для конкретных условий эксплуатации изделий.

Целью данной методической разработки является определение круга вопросов, служащих первоначальной основой изучения ряда наук о металлах, без усвоения которых невозможно успешное продвижение в общетехнических и специальных инженерных дисциплинах. Для ее выполнения поставлены следующие задачи:

1.              Изложить принципы классификации металлических материалов и способы их маркировки в соответствии с государственными стандартами Российской Федерации (ГОСТ).

2.              Ознакомить в общих чертах с областями применения и свойствами металлических материалов.

Page 3

1. Ознакомиться с разделом «Принципы классификации материалов».
2. Изучить материал по каждой отдельной группе материалов в следующем объеме:
3. a)      название группы материалов;
4. b)      принцип маркировки: значение букв и цифр марки;
5. c)      по возможности воспроизвести весь ряд сплавов данной группы от первого до последнего;
6. d)      ознакомиться с табличными данными на предмет их соответствия марке материала;
7. e)      ознакомиться с областью применения материалов данной группы;
8. f)        с целью облегчения дальнейшего использования материала в последующих инженерных дисциплинах рекомендуется указывать номер ГОСТа, по которому поставляется изготовителем и принимается заказчиком тот или иной материал.

Page 4

В технике и быту применяется очень много разнообразных по составу, происхождению, свойствам и назначению материалов. И самой первой и самой простой классификацией всех материалов на группы является деление их на металлы и неметаллы. Поскольку круг рассматриваемых материалов в данной разработке ограничен металлами и их сплавами, приведем отличительные признаки металлов и неметаллов.

Отличительной особенностью металлов является их кристаллическое упорядоченное строение и способность деформироваться ковкой, что было отмечено еще М.В. Ломоносовым. Однако, более типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло — и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры.

Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления r(Т): у металлов при. Т®0, r®0, а у неметаллов r®¥.

В ассортимент неметаллов включаются пластмассы, волокна, пленки, резины, клеи, древесина, стекло, керамика, лакокрасочные покрытия и т.д.

Из известных к настоящему времени 111 химических элементов 83 относят к металлам, хотя некоторые с оговоркой (Вi, Sb, Si), поскольку имеют свойства металлов и неметаллов. Заметное производство и применение нашли около 30 металлов, при этом на долю, железа приходится более 90%, а на долю всех остальных менее 10%.

Кроме того, следует иметь в виду, что в чистом виде металлы применяются редко. Чаще всего используются сплавы на их основе, так как сплавы имеют более высокие механические свойства и обладают комплексом специальных свойств: жаропрочностью, кислотостойкостью, магнитными свойствами и т.д. На основе железа производят сталь и чугун.

Объем производства стали является важнейшим показателям технической и экономической мощи страны.

Число металлических сплавов, применяемых в технике, очень велико, при этом оно постоянно возрастает в связи с растущими требованиями многих отраслей промышленности.

Классифицировать эти сплавы по одному признаку не удается, так как их состав, свойства, назначение и способы производства слишком многообразны.

Поэтому существуют несколько признаков, по которым классифицируют сплавы: по химическому составу, по назначению, по свойствам, по способу выплавки, по степени раскисления, по структуре, качеству и т.д.

По химическому составу классификация основана на указании главного или основного компонента сплава, на основе которого сплав составлен: железо, медь, алюминий и т.д.

Такая классификация позволяет распределить сплавы на небольшое число основных классов: а) сплавы на основе железа (стали, чугуны), б) медные сплавы (бронзы и латуни), в) алюминиевые сплавы (авали, дюрали, силумины), г) магниевые сплавы, д) титановые сплавы, е) оловянистые и свинцовистые сплавы для подшипников (баббиты) и т.

д. А самая большая группа сплавов — стали, в свою очередь, делится по химическому составу на 2 группы: углеродистые (нелегированные) стали и легированные.

По назначению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали должны обладать высокими прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться и т.д.

Стали конструкционные используются для изготовления деталей машин, механизмов в машиностроении и металлоконструкций в строительстве. Инструментальные стали должны обладать повышенной или высокой твердостью и износостойкостью, которые должны сохраняться при нагреве.

Инструментальные стали применяются для изготовления инструмента для обработки металлов резанием, давлением, для изготовления мерительного инструмента. Специальные стали должны обладать какими-либо особыми свойствами: кислотостойкостью, жаропрочностью, магнитными или, наоборот, немагнитными свойствами и т.д.

Основными потребителями сталей с особыми свойствами являются приборостроение, химические производства, ракетостроение, авиастроение, военная спецтехника и т.д.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными признаком качества является содержание вредных примесей в сталях: серы и фосфора. Предельно допустимое содержание примесей в сталях разных категорий качества следующее:

Категория обыкновенного качества относится только к сталям простым углеродистым (нелегированным), а две остальные категории относятся и к углеродистым, и к легированным сталям.

По степени раскисления (удаление кислорода из металла) стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс), и кипящие (кп), что указывается в марке.

При одинаковым содержании углерода спокойные, полуспокойные и кипящие стали имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие в пластичности, что отражается на штампуемости в холодном состоянии.

Это обусловлено содержанием остаточного кремния в стали:

• Кипящая