Высокомодульные материалы

Многие детали приборной техники, к которым предъявляются требования сохранения точности и стабильности размеров при изменяющихся условиях нагружения изготавливаются из материалов с высоким модулем упругости.

К высокомодульным конструкционным материалам наряду со сталями принадлежит бериллий и его сплавы, углепластики, боропластики, металлокомпозиты, армированные бором, углеродом и другими наполнителями.

Модуль высокоэластический, мера сопротивления деформированию резин и др. каучукоподобных материалов, представляющая собой отношение напряжения σ к обратимой деформации ε. При малых ε величина σ пропорциональна ε (линейная область механического поведения материала), и поэтому здесь, по определению, М. в. аналогичен обычному модулю продольной упругости (модулю Юнга) или модулю сдвига в зависимости от того, при каком виде напряжённого состояния измеряется М. в. При больших ε (обычно называемых высокоэластическими) пропорциональность σ и ε нарушается, и под М. в. в этом случае понимают эквивалентную величину, зависящую от ε и по-прежнему определяемую как отношение

σ / ε. М. в. обычно составляет от долей Мн/м2 до нескольких Мн/м2 (от долей кгс/см2 до десятков кгс/см2), тогда как, например, для металлов и полимерных стекол модуль Юнга достигает величин порядка 105 или 103

Мн/м2 соответственно (106 или 104 кгс/см2}. Теоретически М. в. должен возрастать с повышением температуры линейно, практически температурной зависимостью М. в. можно пренебречь. Для высокоэластического состояния характерно отсутствие изменений объёма при растяжении, поэтому М. в., измеренный при сдвиге, составляет 1/3 М.в., определённого при одноосном растяжении.

Резкая разница значений М. в. каучукоподобных веществ и модуля Юнга кристаллических тел и стекол связаны с различием природы деформаций.

Определяющим фактором в случае высокоэластической деформации является гибкость полимерной цепи: деформация тела в целом осуществляется прежде всего путём изменения конформаций макромолекул (см. Высокоэластическое состояние). Упругая же деформация происходит вследствие изменения межатомных расстояний и валентных углов. Силы упругости, препятствующие таким изменениям, существенно больше, чем силы, необходимые для предотвращения упругого восстановления каучукоподобного тела. Абсолютные значения М. в. возрастают по мере усиления межмолекулярного взаимодействия полимерных цепей и увеличения густоты пространственной сетки химических связей.

Пластическая деформация и её параметры.

При нагрузках Р > Р_в наряду со всё возрастающей упругой деформацией появляется заметная необратимая, не исчезающая при разгрузке пластическая деформация. Напряжение, при котором остаточная относительная деформация (при растяжении—_удлинение) достигает заданной величины (по ГОСТ — 0,2 %), называется условным пределом текучести и обозначается

σ_0,2 = Р_Т / F_o.- параметр пластичности материала.

Практически точность современных методов испытания такова, что σ_п и σ_е определяют с заданными допусками соответственно на отклонение от

закона пропорциональности [увеличение сtg (90 — а) на 25—50 % и на величину остаточной деформации (0,003—0,05 %) и говорят об условных пределах пропорциональности и упругости.

Кривая растяжения конструкционных металлов может иметь максимум (точка «в» на рис. 3.5) или обрываться при достижении наибольшей нагрузки Р_В’ .

Характеристики пластичности. Пластичность при растяжении конструкционных материалов оценивается удлинением:

δ = l_k - l_o / l_o ∙ 100%

или сужением:

φ = Fo – Fk / Fo•100%,

при сжатии — укорочением:

Δ = h_o – h_k / h_o ∙ 100%

(где / h_o и h_k — начальная и конечная высота образца),

при кручении:

- предельным углом закручивания рабочей части образца θ, рад или относительным сдвигом у = θ r (где r — радиус образца).

Конечная ордината диаграммы деформации (точка k на рис. 3.5) характеризует сопротивление разрушению металла S_k, которое определяется:

S_k = P_k / F_k

(F_k — фактическая площадь в месте разрыва).

Отношение Р_в / F_o = σ_в характеризует временное сопротивление (предел прочности) материала. – основной параметр прочности материала.

При наличии максимума на кривой растяжения в области нагрузок, лежащих на кривой левее в, образец деформируется равномерно по всей расчётной длине 1_о, постепенно уменьшаясь в диаметре, но сохраняя

начальную цилиндрическую или призматическую форму.

При пластической деформации металлы упрочняются, поэтому, несмотря на уменьшение сечения образца, для дальнейшей деформации требуется прикладывать всё возрастающую нагрузку. σ_в, как и условные σ_п, σ_0,2 и σ_е, характеризует сопротивление металлов пластической деформации. На участке диаграммы деформации правее «в» форма растягиваемого образца изменяется: наступает период сосредоточенной деформации, выражающейся в появлении «шейки». Уменьшение сечения в шейке «обгоняет» упрочнение металлов, что и обусловливает падение внешней нагрузки на участке Р_в — Рк..

Твердость материалов

Твердость - свойство поверхности слоя материала оказывать сопротивление внедрению другого тела, т.е. упругой и пластической деформации или разрушению при этом.
Существующие методы измерения твердости значительно отличаются по принципу:

• царапаньем - более твердое царапает более мягкое, наоборот невозможно - 10-балльная шкала твердости Мооса, где за 1 взята твердость талька, за 10 - алмаза, другие минералы и материалы лежат в промежутке, например, твердость стали примерно 5-6 единиц.
• вдавливанием твердого индентора (наконечника) - здесь много методов, различающихся друг от друга по форме применяемого индентора, по условиям приложения нагрузки и способу расчета чисел твердости.

Сопротивление пластической деформации особенно часто (при контроле качества продукции, стандартности режимов термической обработки и в др. случаях) оценивается по результатам испытаний на твёрдость путём вдавливания твёрдого наконечника в форме шарика (твёрдость по Бринеллю или Роквеллу), конуса (твёрдость по Роквеллу) или пирамиды (твёрдость по Виккерсу). Измерение твердости в соответствии с определенными ГОСТами. Общим обозначением численного значения твердости служит латинская буква Н (от слова "Hardness" -"твердость"). Дополнительный индекс дает возможность отметить способ определения твердости:
НВ - твердость по Бринеллю,
НR - твердость по Рокуэллу (так НRА - твердость по Рокуэллу по шкале А,
НRВ - по шкале В, НRС - по шкале С),
НV - твердость по Виккерсу,
Н , НO, НD - микротвердость в зависимости от формы алмазного наконечника.

Определение твердости по Бринеллю. При испытаниях по Бринеллю на специальном приборе с гидравлическим нагружающим устройством, позволяющим достичь нагрузки Р в несколько тонн, в поверхность испытуемого материала вдавливается шарик диаметром d = Æ10 мм из твердого сплава, после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка D. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывается по формуле, аналогичной формуле прочности (нагрузка P на площадь отпечатка S) (рис. 36):

HB = Р /S = 2 P/ (D (D - (d2 - D2)1/2), кгс / мм2

где нагрузка выражена в кгс, а диаметры в мм.
При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10мм и F = 2943 (3000) Н (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D = 10мм и F = 9800 (1000) Н (кгс), а при испытании мягких металлов (сурьма, свинец и их сплавов) D = 10мм и F = 2450 (250) Н (кгс).
Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Между временным сопротивлением и числом твердости НВ существует следующая зависимость:

• для стали sB = 0,34 НВ,
• для медных сплавов sB = 0,45 НВ,
• для алюминиевых sB = 0,35 НВ.

Метод Бринелля не рекомендуют применять для стали с твердостью более 450 НВ, а цветных металлов – более 200 НВ.
Определение твердости по Роквеллу. Твердость по Рокуэллу (Rockwell) HR определяется по глубине отпечатка, а точнее разностью между остаточной глубиной его внедрения после снятия основной нагрузки P1 при сохранении предварительной нагрузки P₀ и глубиной проникновения индентора при предварительной нагрузке P₀.
Твердость по Рокуэллу выражается в условных единицах. Индентором может быть алмазный конус с углом при вершине 1200 или стальной шарик диаметром 1,588 мм, т.е. 1/16 дюйма.
Общая нагрузка Р при определении твердости HR
HRА по шкале А - алмазный конус, Р = 588 Н (60 кгс)
HRВ по шкале В индентор - стальной шарик, Р = 980 Н (100 кгс),
HRС по шкале С - алмазный конус, Р = 1470 Н (150 кгс).
HRА - для испытаний твердых сплавов с твердостью HR>7000.
HRВ - для испытаний цветных металлов и отожженных сталей с твердостью HR<2300,
HRС - для испытания сталей, подвергнутых термической или химико-термической обработке.
Схема определения твердости по Рокуэллу приведена на рис. 36. Сначала индентор нагружается предварительной нагрузкой P₀ и при этом внедряется в материал на глубину h₀. Предварительная нагрузка P₀ не снимается до конца испытаний. Затем на образец подается общая нагрузка P = P₀ + P₁, и индентор погружается на "максимальную" глубину h1. После этого дополнительный груз P₁ убирается, индентор несколько приподнимается, при этом сохраняется остаточная глубина внедрения h.
Числа твердости по Рокуэллу считывают непосредственно по показателям индикаторов перемещения. По сравнению с методом Бринелля метод Рокуэлла имеет преимущество в том, что может быть использован и при достаточно тонких образцах (> 0,4 мм). Однако надо указать на его условность, невозможность повторной проверки полученных результатов, отсутствие единой шкалы твердости (HR = 0 не имеет здесь физического смысла нулевой твердости, возможны и отрицательные значения HR), что является недостатками метода.
Эмпирически (опытным путем) установлено, что числа твердости по Бринеллю и по Рокуэллу соотносятся примерно как 10:1.
Твердость по Виккерсу. При испытаниях по Виккерсу в поверхность испытуемого материала вдавливается алмазная пирамидка, после снятия нагрузки измеряется диагональ отпечатка (рис. 36).
Нагрузка F (P) может меняться от 9,8 (1) до 980 Н (100 кгс).

Твердость по Виккерсу

HV = 0,189 F / d2,

если выражена в Н, и

HV = 1,854 F / d2,

если выражена в кгс

Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу (HV) определяют по специальным таблицам по измеренной величине d.
Микротвердость. При определении микротвердости пользуются специальным микроскопом с алмазным микроиндентором. В то время как другие методы определения твердости оценивают твердость по довольно большой площади контакта, по микротвердости можно определить твердость разных фазовых составляющих сплава, отдельных зерен металла или даже определить твердость в разных точках внутри одного зерна.
Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

Н = 0,189 F / d2

если выражена в Н.
Распространенность испытаний на твердость объясняется простотой и быстротой их проведения, отсутствием необходимости разрушения испытываемых объектов, возможностью испытаний материалов различной пластичности и небольших объемов, иногда возможностью сопоставления характеристик твердости с данными других испытаний.
Так, твердость конструкционных сталей и деформируемых цветных сплавов имеет практически линейную связь с их прочностью. Для инструментальных сталей при повышении содержания углерода твердость повышается, но прочность уменьшается вследствие охрупчивания.
Твердость прямо связана с износостойкостью материала. Твердость режущей кромки определяет работоспособность резцов, ножей, сверл и других металлорежущих изделий.
Поэтому по результатам испытаний на твердость можно судить об эксплуатационной пригодности инструментов, оценить качество термообработки, косвенно определить такие характеристики материалов, как условный предел текучести, временное сопротивление (предел прочности) и модуль упругости первого рода.

Характеристики разрушения. Разрушение происходит не мгновенно (в точке k), а развивается во времени, причём начало в разрушения может соответствовать какой-то промежуточной точке на участке вк (см. рис. 3.5.), а весь процесс заканчиваться при постепенно падающей до нуля нагрузке.

Многие конструкционные металлы (стали, в том числе высокопрочные, жаропрочные хромоникелевые сплавы, мягкие алюминиевые сплавы и др.) разрушаются при растяжении после значительной пластической деформации с образованием шейки. Часто (например, у высокопрочных алюминиевых сплавов) поверхность разрушения располагается под углом примерно 45° к направлению растягивающего усилия. При определенных условиях (например, при испытании хладноломких сталей в жидкой азоте или водороде, при воздействии растягивающих напряжений и коррозионной среды для металлов, склонных к коррозии под напряжением) разрушение происходит по сечениям, перпендикулярным растягивающей силе (прямой излом), без макропластической деформации.

Прочность материалов, реализуемая в элементах конструкций, зависит не только от механических свойств самого металла, но и от формы и размеров детали (т. н. эффекты формы и масштаба), упругой энергии, накопленной в нагруженной конструкции, характера действующей нагрузки (статическая, динамическая, периодически изменяющаяся по величине), схемы приложения внешних сил (растяжение одноосное, двухосное, с наложением изгиба и др.), рабочей температуры, окружающей среды. Зависимость прочности и пластичности металлов от формы характеризуется т. н. чувствительностью к надрезу, оцениваемой обычно по отношению пределов прочности надрезанного и гладкого образцов (у цилиндрических образцов надрез обычно выполняют в виде круговой выточки, у полос — в виде центрального отверстия или боковых вырезов). Для многих конструкционных материалов это отношение при статической нагрузке больше единицы, что связано со значительной местной пластической деформацией в вершине надреза. Чем острее надрез, тем меньше локальная пластическая деформация и тем больше доля прямого излома в разрушенном сечении. Хорошо развитый прямой излом можно получить при комнатной температуре у большинства конструкционных материалов в лабораторных условиях, если растяжению или изгибу подвергать образцы массивного сечения (тем толще, чем пластичнее материал), снабдив эти образцы специальной узкой прорезью с искусственно созданной трещиной (??рис. З]. При растяжении широкого, плоского образца пластическая деформация затруднена и ограничивается небольшой областью размером 2г (на ??? рис. 3, б заштрихована), непосредственно примыкающей к кончику трещины. Прямой излом обычно характерен для эксплуатационных разрушений элементов конструкции.

Для оценки качества металла весьма распространены испытания на ударный изгиб призматических образцов, имеющих на одной стороне надрез. При этом оценивают ударную вязкость (в кгс-м/см2 или Мдж/м2) — работу деформации и разрушения образца, условно отнесённую к поперечному сечению в месте надреза.

Дата добавления: 2015-07-25