Введение. Дисциплина «Новые конструкционные материалы» является частью более широкого курса

Дисциплина «Новые конструкционные материалы» является частью более широкого курса «Материаловедения».

Материаловедением называют область знаний, в которой излагаются закономерности, связывающие состав и структуру материалов с их свойствами, а также с изменением свойств материалов в условиях эксплуатации. Отличительной характеристикой пособия является то, что в нем отражены особенности использования материалов в различных отраслях пищевой промышленности.

Для понимания связей между структурой и свойствами, прежде всего, необходимо ознакомиться с основными характеристиками структуры и свойств.

Тема 1. Классификация, строение и свойства конструкционных материалов.

1.1. Структура материалов

Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.

Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих их элементарных частиц (атомов или молекул) хаотично, т.е. неупорядоченно. К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.

Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е. образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве, образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими решетками.

Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1) симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.

Периоды кристаллических решеток измеряются в нанометрах (10^{-9 метра, краткое обозначение нм), либо в ангстремах (10-10 метра, обозначается} Å, 1_Нм= 10 Å).

Если бы атомы располагались только в узлах кристаллических ячеек, то разные вещества различались бы только величинами углов и периодов ячеек. Но в ряде кристаллических ячеек атомы расположены не только в узлах (местах пересечения осей), но также и в других частях объёма ячейки, например, в его центре или в центрах граней. Тогда первый тип решетки называется объемно-центрированной, а второй – гранецентрированной решеткой.

Подавляющее большинство металлов имеет объемно-центрированные решетки, гранецентрированные кубические решетки, либо гексагональные плотноупакованные. Краткие обозначения этих типов решеток ОЦК, ГПУ и ГЦК, соответственно.

Координационным числом (Z) называется число атомов, находящихся на наиболее близких и одинаковых расстояниях от произвольно выбранного любого атома в решетке. Для ОЦК решеток Z = 8, для ГЦК и ГПУ – 12.

Базисом решетки называется количество атомов в одной элементарной ячейке. Для ОЦК решеток базис равен 2, для ГЦК – 4, для ГПУ – 6.

Коэффициентом компактности решетки (ŋ) называется отношение объёма, занимаемого сферическими атомами (Va) ко всему объёму элементарной ячейки V, т.е. ŋ = Va/V. Для ОЦК решёток ŋ равно 0,68, для ГЦК и ГПУ – 0,74.

Массивные объёмы материала могут состоять как из одного кристалла (монокристалла), так и из множества зёрен, образующих поликристаллы. Отдельные зёрна в поликристалле отличаются друг от друга ориентировкой в пространстве.

Свойства кристаллических материалов зависят и от размеров зёрен, и от их ориентировки в образце. Если имеет место беспорядочно реализуемая ориентировка зёрен, то говорят, что материал изотропен. Если же наблюдается преимущественная ориентировка зёрен в каком-либо направлении, то такая преимущественная ориентировка называется текстурой, материал называется текстурованным, а свойства являются анизотропными.

Для характеристики ориентации кристаллов применяется специальная система обозначений расположения рёбер и граней в элементарной ячейке, а также других направлений в ней, называемая системой индексов Миллера: плоскости обозначаются индексами в круглых скобках (h, k, ℓ), где h, k и ℓ – числа, связанные с ориентацией плоскостей. Направления в кристаллической решетке обозначаются заглавными буквами в квадратных скобках [H, K, L]. В кубических решетках грани куба обозначаются как (100), (010) и (001), а ребра куба как [100], [010], [001], соответственно осям X, Y, Z.

Большинство свойств металлических материалов зависят от направлений в кристаллических решётках. Такая зависимость называется анизотропией.

В одной и той же подгруппе элементов периодической системы Менделеева металлы часто кристаллизуются с одним и тем же типом кристаллической решётки. Но имеется ряд металлов, которые меняют тип решётки при переходе от одних внешних условий к другим (давление, температура). К таким металлам относятся железо, титан, цирконий и др.

Указанный переход называется полиморфным превращением.

Большинство конструкционных материалов являются сплавами двух или более химических элементов, называемых компонентами. В сплавах при плавлении образуются однородные области их объёма, называемые фазами. Фазы могут быть следующими: жидкие растворы, твёрдые растворы, химические соединения.

Твёрдые растворы делятся на твёрдые растворы замещения и внедрения.

При образовании твёрдого раствора замещения часть узлов атомов основного компонента (растворителя) замещается атомами другого элемента. При этом тип кристаллической решётки растворителя остаётся неизменным. Образуемые металлическими элементами твёрдые растворы замещения могут быть неограниченными (во всей области концентраций от 0 до 100%) и ограниченными определённой областью концентраций растворяемого элемента. Неограниченные твёрдые растворы образуются в системах Ag - Au, Ni - Cu, Mo - W, Mo - V и др.

Твёрдые растворы внедрения образуются при растворении в решетке металлического растворителя неметаллических атомов относительно малого размера (H, B, C, N, O). При этом атомы неметаллических элементов располагаются между атомами решетки растворителя в специальных пустотах решётки, называемых порами (октаэдрическими и тетраэдрическими).

При некоторых концентрациях атомов элементов, образующих сплав, если имеет место сильное химическое взаимодействие атомов различных сортов, образуются химические соединения.

К химическим соединениям относятся интерметаллиды (Ni₃Aℓ, TiAℓ, Fe₂Mo и др.), карбиды – соединения металлов с углеродом (Fe₃C, TiC, WC, Mo₂C и др.), нитриды – соединения с азотом (FeN, TiN, Fe₄N) и др.

Выше, описывая кристаллическое строение материалов, мы негласно подразумевали, что весь объём кристалла имеет идеальное строение. Однако, следует учитывать, что в реальных кристаллах всегда существует большое число мест, в которых идеальное строение кристалла нарушено. Такие места носят название дефектов кристаллического строения. Обычно дефекты в кристаллах характеризуют размерностью: 1) нульмерные (или точечные) – вакансии, внедрённые атомы; 2) линейные – дислокации; 3) поверхностные – дефекты упаковки плоскостей, двойники; 4) объёмные – поры. Кроме того, существуют объёмные дефекты, многократно превышающие межатомные расстояния (трещины, усадочные раковины и др.)

Тип указанных дефектов и их количество в материалах оказывают значительное влияние на свойства материалов.

1.2. Основные характеристики свойств материалов

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физико-механических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований, необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-математических свойств конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия, как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).

В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются предел текучести - s_0.2, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2%) и временное сопротивление (предел прочности) - s_в, MПа. Определяют эти характеристики при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых, построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми деформации.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a_k, МДж/м²), т.е. по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К_1с, МПа×мм^1/2 или, другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность изделий зависит от условий их эксплуатации и характеризуется такими параметрами, как сопротивление ползучести (под нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при циклических нагружениях) и сопротивление износу (истиранию при трении соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём проведения специальных испытаний и является достаточно трудоёмкой операцией и требует специального оборудования.

Наиболее простым методом определения механических свойств материала является измерение твёрдости.

Твёрдостью называют сопротивление материала пластической деформации при контактных нагрузках, для которых характерно резкое изменение напряжений в поверхностном слое материала. Наиболее распространёнными методами измерения твёрдости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и измерения микротвёрдости.

По методу Бринелля в образец вдавливают стальной шарик и величину твёрдости определяют по отношению приложенной нагрузки (P) к площади отпечатка (S). Обозначается твёрдость как HB.

По методу Роквелла индентором может быть либо стальной шарик (шкала В при нагрузке 1000 Н), либо алмазный конус (шкала А при нагрузке 1500 Н (Ньютон) и С – при нагрузке 600 Н). Числом твёрдости является некоторая условная величина, связанная с глубиной отпечатка при вдавливании индентора. Эта величина определяется непосредственно на шкале прибора. В зависимости от используемого индентора и шкалы твёрдость обозначается как HRB, HRC и HRA. Шарик используется для определения твёрдости относительно мягких материалов, а алмазный конус - для твёрдых, причём шкала A используется для измерения твёрдости тонколистовых материалов.

По методу Виккерса предлагает в качестве индентора алмазную пирамидку. Твёрдость определяется по величине диагонали отпечатка и обозначается HV. Этот метод чаще используют для определения твёрдости тонких лент и покрытий.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

2. Что такое конструкционная прочность?

3. Какие требования к конструкционным материалам предъявляют в пищевой промышленности?

4. Какие материалы относят к аморфным, а какие – к кристаллическим?

Дата добавления: 2015-07-25