В аморфных телах нет такого закономерного расположения атомов в пространстве. Они представляют собой как бы загустевшие жидкости. У них нет конкретной температуры плавления, и при нагревании они постепенно размягчаются в широком диапазоне температур и переходят в жидкое состояние. Примером аморфных тел могут быть стекло, смолы, некоторые пластмассы.
Вопрос
К механическим свойствам металлов относят: прочность, упругость, пластичность, твердость, ударную вязкость.
Диаграмма растяжения металлов:
Прочность, упругость и пластичность изучаются при испытаниях на растяжение.
Прочность – способность материалов выдерживать нагрузки без разрушения.
Упругость – способность материалов изменять форму под действием нагрузки, и возвращаться в исходное состояние после снятия нагрузки.
Пластичность – способность материала приобретать необратимые изменения формы под действием нагрузки.
sПЦ – предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого материал деформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука s = Ee, где E – модуль упругости.
s0,2 – условный предел текучести – это напряжение, вызывающее пластическую деформацию равную 0,2 % = eПЛ .
sТ – физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит значительное увеличение пластической деформации, при этом напряжение остается постоянным (присутствует не у всех металлов).
sВ – предел прочности – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал не разрушаясь – основная характеристика механической прочности.
5 вопрос
Для описания кристаллической структуры пользуются понятием пространственная или кристаллическая решётка.
Кристаллическая решётка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие твердое кристаллическое тело. Для удобства изображения кристаллического строения атомы обычно соединяют прямыми линиями.
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре материала во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.
ПОЛИКРИСТА́ЛЛЫ (от поли... и кристаллы), агрегаты хаотически ориентированных мелких кристаллов разного размера и неправильной формы, которые называются кристаллитами или кристаллическими зернами.
6 вопрос
Все атомы в кристаллической решётке расположены в определенной закономерности. Между всеми атомами существуют силы притяжения и отталкивания, которые уравновешены. В каждом кристаллическом теле эти силы различны, поэтому любому твердому кристаллическому телу соответствует своя кристаллическая решётка. Переход вещества из твердого состояния в жидкое (при нагревании) происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Каждый металл имеет свою конкретную температуру плавления.
7 вопрос
Основные типы решеток.
| схема | название | количество атомов |
| кубическая | |
| Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) | |
| Гранецентрированная кубическая (ГЦК) |
8 вопрос
КООРДИНАЦИОННОЕ ЧИСЛО - характеристика кристаллической решетки, вытекающая из ее геометрии и отражающая плотность упаковки элементарных частиц в кристалле. Координационное число определяет число ближайших равноудаленных элементарных частиц.
(Плотность упаковки представляет собой отношение суммарного объема, занимаемого собственно атомами в кристаллической решетке, к ее полному объему.)
Компактность - степень заполненности кристаллической решётки объема атомами.
9 вопрос
У некоторых материалов кристаллическая решетка может меняться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизм. Иногда это может вызывать изменение свойств. Поэтому при работе с такими материалами нужно учитывать данное обстоятельство.
10 вопрос
АНИЗОТРОПИ́Я (от греч. anisos — неравный и tropos — направление), зависимость свойств вещества от направления. Анизотропия характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов, т. к. обусловлена закономерностью и симметрией их внутреннего строения. (см. Неймана принцип, Симметрии принцип Кюри). Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых своих свойств обязательно анизотропны. Анизотропия является следствием того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между атомами и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.
Не все свойства в кристаллах анизотропны. Некоторые свойства, такие как, например, плотность и удельная теплоемкость, изотропны и не зависят от направления. Изотропные свойства описываются скалярными величинами. В то же время, многие свойства, например, теплопроводность, диэлектрическая восприимчивость, магнитная восприимчивость, показатель преломления света и др., существенно зависят от направления, по отношению к которому они определены, и описываются тензорными величинами. Если имеется зависимость свойств от направления, то для их описания, которое в общем случае зависит от ориентации системы координат, используют кристаллофизическую систему координат.
Естественная анизотропия — наиболее характерная особенность кристаллов. Она проявляется в различии скоростей роста кристаллов в разных направлениях. Именно поэтому кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. В случае изотропности скорости роста, кристалл вырастал бы в форме шара.
Механическая анизотропия состоит в различии механических свойств — прочности, твердости, вязкости, упругости — в разных направлениях. Количественно упругую анизотропию оценивают по максимальному различию модулей упругости. Проявлением анизотропии механических свойств являются особенности пластической деформации кристаллов. Кристалл деформируется не по направлению действующей силы, а только в некоторых кристаллографических плоскостях по определенным кристаллографическим направлениям, зависящим от структуры кристалла. Как правило, плоскостями и направлениями скольжения служат плоскости и направления плотнейшей упаковки.
Анизотропия присуща жидким кристаллам, природным и синтетическим полимерным веществам. Анизотропия этих веществ, как и кристаллов, в основном определяется их атомным строением и не обязательно требует различия всех свойств во всех направлениях. Наоборот, допустимо закономерное равенство величины какого-либо свойства для некоторых разных направлений.
11 вопрос
Анизотропия проявляется только в пределах одного монокристалла или зерна-кристаллита. В поликристаллических телах она не наблюдается из-за усреднения свойств по каждому направлению для огромного количества произвольно ориентированных друг относительно друга зерен.
12 вопрос
13 вопрос
Точечные дефекты кристаллического строения. Эти дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К точечным дефектам относятся вакансии (дефекты Шотки), т.е. узлы решетки, в которых атомы отсутствуют. При этом кристаллическая решетка материала претерпевает некоторое искажение. Вакансии в металлах участвуют в диффузионных процессах.
Межузельные атомы (дефекты Франкля). Это дефекты, обусловленные переходом атома из узла решетки в междоузлие. Вокруг атома в междоузлии возникает искажение кристаллической решетки, которое намного выше, чем при образовании вакансии (до 20 % от межатомного расстояния). Наличие в металлах межузельных атомов вызывает некоторое упрочнение, повышение электросопротивления и влияет на некоторые другие свойства.
Примесные атомы внедрения находятся в междоузлиях решетки, образуя раствор внедрения. Поэтому целесообразно, для большей определенности, межузельные атомы основного металла не называть атомами внедрения, под которыми будем подразумевать только чужеродные атомы, находящиеся между узлами решетки. Примесные атомы замещения находятся в узлах решетки, занимая места атомов основного металла, т.е. образуя раствор замещения. Вакансии и атомы замещения могут находиться в любых узлах решетки. Межузельные атомы и примесные атомы внедрения располагаются не в любом междоузлии, а преимущественно в таких местах (пустотах), где для них имеется больше свободного пространства.
Вопрос
Линейные дефекты: линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Различают краевую и винтовую дислокацию.
Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной плоскости чертежа. Эта полуплоскость как бы вставлена в какую-то часть кристалла.
Винтовая дислокация в отличие от краевой располагается параллельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.
.
15 вопрос
Количественной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций, обозначаемая буквой r. Это суммарная длина дислокаций в 1 см3 материала. Плотность дислокации r имеет размерность см/см3 или см -2. Для реальных технических металлов r =106 - 108см-2 Количество дислокаций в металле возрастает при пластической деформации, и в сильно деформированном металле плотность дислокации может достигать значений 1012 см-2.
16 вопрос
Поверхностные дефекты кристаллического строения
Все промышленные металлы - поликристаллические тела, состоящие из множества кристаллов, зерен. Размер их различен, от нескольких микронов до сотен микрон. Различают макроструктуру (строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении 30-50 раз) и микроструктуру - строение металла и сплава,наблюдаемое с помощью микроскопа при большом увеличении. В металле соседние зерна ориентированны друг относительно друга под углом в несколько десятков градусов (это большая угловая граница) границы между отдельными зернами представляют собой переходящую область шириной в 5-10 межатомных расстояний. Здесь атомы расположены менее правильно, чем в объеме зерна. Также на границе сосредотачиваются примеси, что еще больше вносит искажения в правильность расположения атомов. Такая область и считается поверхностным дефектом кристаллического строения.
В свою очередь зерно состоит из более мелких образований, называемых фрагментами и блоками. Фрагменты расположены под углом в несколько градусов друг к другу, а блоки расположены под углом в несколько минут. Эти границы называют - малоугловыми. Их тоже относят к поверхностным дефектам.
17 вопрос
Объемные дефекты кристаллической решетки включают трещины и поры. Наличие данных дефектов, уменьшая плотность металла, снижает его прочность.
Кроме того, трещины являются сильными концентраторами напряжений, в десятки и более раз повышающими напряжения создаваемые в металле рабочими нагрузками. Последнее обстоятельство наиболее существенно влияет на прочность металла.
18 вопрос
Стремление системы к наименьшей энергии
19 вопрос
Температура Ts, при которой свободная энергия металла в твёрдом и жидком состоянии одинакова, называется теоретической температурой кристаллизации.
Разность между теоретической и реальной температурой кристаллизации называется степенью переохлаждения Δ T:
Δ T = TS – T Р.
20 вопрос
Измеряя температуру металла в процессе кристаллизации, можно получить кривую охлаждения (рис. 3). Это график в координатах «температура – время». На этой кривой имеется горизонтальный участок, соответствующий переходу металла из жидкого состояния в твердое. Постоянная температура на этом участке поддерживается за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации.
Рис. 3. Кривая охлаждения расплавленного металла
21 вопрос(не точно)
Скорости элементарных процессов зависят от степени переохлаждения Δ T или скорости охлаждения металла V. Эта зависимость показана на рис. 4.
Рис. 4. зависимость скорости процесса кристаллизации от степени переохлаждения.
Из приведенной на рис. 4 зависимости видно, что при малых скоростях охлаждения и малых степенях переохлаждения (например, Δ T 1 и V 1) получается небольшая скорость образования зародышей.
22 вопрос
Механизм процесса кристаллизации можно представить в виде двух элементарных процессов:
1) Образование в жидкости центров кристаллизации (зародышей, мельчайших твердых частиц).
2) Рост кристаллов из образовавшихся зародышей.
23 вопрос(не точно)
Если же кристаллизация происходит при больших скоростях охлаждения и больших степенях переохлаждения (Δ T 2 , V 2), то в жидкости образуется большое количество центров кристаллизации (с.з.2) и из них, соответственно, вырастает большое число кристаллов. Металл при этом получается мелкозернистый (рис. 6).
а
Рис. 6. Кристаллизация при быстром охлаждении:
а – начало процесса; б – окончание процесса
24 вопрос
25 вопрос(см. вопрос 3)
При огромных скоростях охлаждения (крайняя правая точка на рис. 4) достигаются такие большие степени переохлаждения, что тепловое движение атомов в металле замедляется, атомы не успевают образовать дальний порядок, выстроиться в кристаллическую решетку. Жидкое, неупорядоченное состояние металла оказывается как бы «замороженным». Металл становится твердым, но не имеет кристаллического строения. Это аморфный металл или металлическое стекло. Аморфные металлы широко применяются в современной аудиотехнике благодаря уникальным магнитным свойствам.
26 вопрос
Следует иметь в виду, что при получении отливок затвердевание металла в форме происходит с разными скоростями охлаждения в различных ее частях. Скорость охлаждения уменьшается от стенки формы к центральной ее части, при этом меняется и направление теплоотвода в местах роста кристаллов. В результате полученный слиток имеет неодинаковое строение по сечению, а значит, и разные свойства (рис. 7). Поверхностный слой будет мелкозернистый (т.е., с высокими механическими свойствами), центральная часть слитка -крупнозернистая.
 |
Рис. 7. Характерные зоны слитка:
1 – корка (зона мелких по-разному ориентированных кристаллов);
2 – зона столбчатых кристаллов, растущих в направлении,
обратном направлению теплоотвода;
3 – зона крупных, произвольно ориентированных кристаллов;
4 – усадочная раковина в верхней части слитка.
Размер этих зон существенно меняется в зависимости от состава металла и условий кристаллизации.
Итак, структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение.
Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за повышения температуры стенки изложницы, уменьшения теплообмена, т.к. появилось еще две границы раздела твердое - жидкое и твёрдое - стенка изложницы и др. причины), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы (в сторону отвода тепла).
Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Поэтому температура выравнивается и кристаллы растут по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого образуется равноосная структура.
Расположение двух последних зон в слитке имеет большое значение.
В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыков столбчатых кристаллов имеют малую прочность
27 вопрос
Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации. Степень развития столбчатых кристаллов будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины, а также температуры ее стенок. Это будет влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема стали.
28 вопрос
29 вопрос
при отливке деталей, испытывающих значительные нагрузки при эксплуатации, целесообразно проводить процесс кристаллизации при высокой скорости охлаждения, чтобы получить мелкозернистую структуру. Если необходимую скорость кристаллизации обеспечить не удается (в отливках большой массы), то для измельчения зерна в жидкий металл вводят небольшие добавки примесей в виде мелких нерастворимых в расплаве частиц, увеличивая тем самым число центров кристаллизации. Такой процесс называется модифицированием, а вводимые добавки – модификаторами.
В качестве модификаторов обычно применяются мелкие частицы карбидов, оксидов (Сr7С3, VC, ТiC, Al2О3 и др.) и некоторые вещества, облегчающие образование зародышей в жидкости (В, Mg и др.). Измельчению зерна способствует также вибрация кристаллизующегося металла.
30 вопрос
31 вопрос
Если деформация металлов исчезает после снятия нагрузки, то это упругая деформация.
Упругой деформацией называется деформация, влияние которой на форму, структуру и свойства тела полностью устраняются после прекращения действия внешних сил. Упругая деформация вызывает только незначительное и полностью обратимое смещение атомов. При таком смещении атомов из положения равновесия нарушается баланс сил притяжения и электростатического отталкивания, поэтому после снятия нагрузки смещенные атомы вследствие действия сил притяжения или отталкивания возвращаются в исходное равновесное состояние, и кристалл приобретает свою первоначальную форму и размеры.
При увеличении нагрузки возможности упругой деформации кончаются, и начинается пластическая деформация.
32 вопрос
Если деформация металлов остается после снятия нагрузки то это пластическая деформация.
Пластическая деформация - это такая деформация, которая остается в материале после снятия нагрузки, т.е. необратимая. С увеличением действующего напряжения на материал величина пластической деформации увеличивается. Но при достижении какого-то напряжения материал теряет свою способность пластически деформироваться и наступает разрушение.
Механизм пластической деформации
Механизм пластической деформации материала может быть различным, в зависимости от особенностей его структуры, схемы напряженного состояния при нагружении, скорости нагружения и температуры. Чаще всего в металлах и сплавах пластическая деформация осуществляется путем движения дислокаций под действием напряжения в определенных кристаллографических плоскостях - это плоскости и направления с наиболее плотной упаковкой атомов, где величина сопротивления сдвигу, называемая критическим напряжением tк, наименьшая. Это объясняется тем, что расстояние между соседними атомными плоскостями наибольшее, т.е. связь между ними наименьшая. Плоскости скольжения, лежащие в этих плоскостях, образуют систему скольжения.
|
Принципиально пластическую деформацию по средствам передвижения дислокации можно представить таким образом:
.
Если к кристаллу приложена сила Р, краевая дислокация, у которой на краю экстраплоскости находится атом, начинает перемещаться вдоль плоскости скольжения, то при этом происходит разрыв только одной межатомной связи и устанавливается связь атома с соседним атомом и так поочередно происходит разрыв и установление одной межатомной связи. На этой стадии дислокация, перемещаясь, выходит на край кристалла, и последний атом оказывается на краю экстраплоскости. За счет такого элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг в кристалле на величину одного межатомного расстояния.
Обычно в одном месте выходит на поверхность кристалла группа дислокаций (~ 10 -100), что увеличивает пластическую деформацию. Следует иметь в виду, что перемещение и количество дислокаций в исходном металле может быть ограничено. Поэтому большие деформации возможны только вследствие того, что движение этих дислокаций вызывает появление или размножение большого количества новых дислокаций в процессе пластической деформации.
33 вопрос
34 вопрос
35 вопрос
ТЕКСТУ́РА (от лат. textura — ткань, строение), преимущественная ориентация кристаллических зерен в поликристаллах или молекул в аморфных телах, жидких кристаллах, полимерах, приводящая к анизотропии свойств материалов.
36 вопрос
Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящих к разделению его на части.
Разрушение происходит в результате или развития нескольких трещин, или слияния рядом расположенных трещин в одну магистральную трещину, по которой идет полное разрушение. Разрушение может быть хрупким и вязким. Механизм зарождения трещин одинаков как при хрупком, так при вязком разрушении. Возникновение микротрещин чаще происходит благодаря скоплению движущихся дислокаций (пластической деформации) перед препятствием (границами зерен, межфазными границами, перед возможными включениями) образуя зародыш трещины. Трещина образуется в плоскости, перпендикулярной к плоскости скольжения, когда плотность дислокаций достигает 1012-1013 см-2, а касательные напряжения у вершины их скопления ~0,7G.
37 вопрос
Вязкое и хрупкое разрушение различаются между собой по величине пластической зоны у вершины трещины. При хрупком разрушении величина пластической зоны в устье трещины мала. При вязком разрушении величина пластической зоны, идущей впереди распространяющейся трещины, велика, а сама трещина затупляется у своей вершины. Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространение хрупкой трещины достигает 2500 м/с. Поэтому нередко хрупкое разрушение называют "внезапным", или "катастрофическим" разрушением.
38 вопрос
Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.
Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);
· Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);
· Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);
· Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);
· Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).
39 вопрос
При деформации в теле возникают нормальные и касательные напряжения. Нормальные напряжения s- направлены по нормали к площадке. Нормальные напряжения подразделяются на растягивающие (положительные) и сжимающие (отрицательные). Касательные напряжения t - лежат в плоскости этой площадки.
Наличие в исследуемом материале (изделии) механических надрезов, трещин, внутренних дефектов, резких переходов с толстого на тонкое сечение приводит к неравномерному распределению напряжений, создавая у основания вышеназванного дефекта пиковую концентрацию напряжений. В связи с этим такие источники концентрации напряжений называются концентраторами напряжений. Пик напряжений тем больше, чем меньше радиус (острие) концентратора напряжений, поэтому все конструкционные концентраторы напряжений нужно выполнять с должным закруглением.
sк=2 sнÖс/r где:
sн - нормальное (среднее) напряжение
с - глубина надреза
r - радиус надреза
Различают напряжения обусловленные действием внешней нагрузки и исчезающие после ее снятия, и внутренние напряжения, возникающие и уравновешивающиеся в пределах тела без действия внешней нагрузки.
Внутренние напряжения делят на тепловые и фазовые или структурные.
Однако внутренние напряжения еще различают и по другому признаку и называют напряжениям I, II и III рода.
Напряжения I рода. Они уравновешиваются в объеме всего тела или отдельных его макрообъемах. Эти напряжения возникают в результате технологических процессов, которым подвергают деталь в процессе ее изготовления.
Напряжения II рода. Эти напряжения уравновешиваются в объеме зерна (кристаллита) или нескольких блоков. Они возникают в процессе фазовых превращений и деформаций металла, когда разные кристаллиты и блоки внутри их оказываются в различном упругонапряженном состоянии.
Напряжения III рода. Они локализуются в объемах кристаллической ячейки, представляют собой статические искажения решетки, т. е. смещение атомов на доли ангстрема из углов кристаллической решетки.
Существует много различных методов для определения напряжений I рода. Напряжения II и III рода определяются рентгеновским методом. Только напряжения I рода имеют знак. Напряжения III и большей частью II рода определенного знака не имеют
40 вопрос
Прочность – способность материалов выдерживать нагрузки без разрушения.
sВ – предел прочности – это максимальное напряжение, которое выдерживает материал не разрушаясь – основная характеристика механической прочности.
Предел прочности материала - это его сопротивление деформации к разрушению.
При деформации растяжением меняется длина образца. В качестве характеристики пластичности материала, его способности деформироваться под нагрузкой принимается относительное удлинение (d). Величина d - измеряется в процентах и определяется из соотношения:
d = (l0- lk)* 100 / l0, % где l0- lk
41 вопрос
Растяжение. Соотношение между напряжением и деформацией для материалов часто исследуют, проводя испытания на растяжение, и при этом получают диаграмму растяжения - график, по горизонтальной оси которого откладывается деформация, а по вертикальной - напряжение (рис. 1). Хотя при растяжении поперечное сечение образца уменьшается (а длина увеличивается), напряжение обычно вычисляют, относя силу к исходной площади поперечного сечения, а не к уменьшенной, которая давала бы истинное напряжение. При малых деформациях это не имеет особого значения, но при больших может приводить к заметной разнице. На рис. 1 представлены кривые деформация - напряжение для двух материалов с неодинаковой пластичностью. (Пластичность - это способность материала удлиняться без разрушения, но и без возврата к первоначальной форме после снятия нагрузки.) Начальный линейный участок как той, так и другой кривой заканчивается в точке предела текучести, где начинается пластическое течение. Для менее пластичного материала высшая точка диаграммы, его предел прочности на растяжение, соответствует разрушению. Для более пластичного материала предел прочности на растяжение достигается тогда, когда скорость уменьшения поперечного сечения при деформировании становится больше скорости деформационного упрочнения. На этой стадии в ходе испытания начинается образование "шейки" (локальное ускоренное уменьшение поперечного сечения). Хотя способность образца выдерживать нагрузку уменьшается, материал в шейке продолжает упрочняться. Испытание заканчивается разрывом шейки.
Рис. 1. ДИАГРАММЫ РАСТЯЖЕНИЯ для двух металлов с разной пластичностью: сравнительно хрупкого (штриховая линия) и более пластичного (сплошная линия). Пределы текучести обоих металлов почти совпадают. Более хрупкий металл разрушается по достижении своего предела прочности при растяжении, а более пластичный - пройдя через свой предел прочности.
42 вопрос
43 вопрос
Пластичность – способность материала приобретать необратимые изменения формы под действием нагрузки.
Пластичность металлов определяется также при испытании на растяжение. Это свойство обнаруживается в том, что под действием нагрузки образцы разных металлов в различной степени удлиняются, а их поперечное сечение уменьшается. Чем больше способен образец удлиняться, а его поперечное сечение сужаться, тем пластичнее металл образца.
44 вопрос
45 вопрос
твердость определяют, как способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Однако такое определение не является общим, так как существуют и другие методы определения твердости, основанные не на вдавливании, а на царапании, качании маятника, динамическом методе и других принципах.
Наиболее широко практикуются испытания твердости по Бринеллю, по Роквеллу, по Виккерсу и метод определения микротвердости. Во всех перечисленных методах при вдавливании индентора происходит пластическая деформация испытуемого материала под индентором. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем на меньшую глубину проникает индентор и тем выше твердость.
По Бринеллю определяют твердость относительно мягких материалов: цветных металлов и их сплавов, отожженной стали, чугунов (кроме белого).
Твердость по методу Бринелля. Определение твердости по Бринеллю основано на вдавливании в испытуемый материал стального шарика и последующего измерения диаметра отпечатка (рис. 1).
Твердость по Бринеллю (НВ) выражается отношением взятой нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F:
.
По Роквеллу чаще всего определяют твердость очень твердых материалов: закаленных сталей, твердых сплавов, керамики, твердых покрытий, в том числе наплавленных слоев достаточной глубины на сталях и чугунах. Но на приборе Роквелла можно определять твердость и сравнительно мягких материалов.
Твердость по методу Роквелла. Определение твердости по Роквеллу основано на вдавливании в исследуемый материал алмазного конуса с углом в вершине 120° (шкалы А и С) и последующим измерением глубины вдавливания h (рис. 3) или стального шарика диаметром 1,5875 мм (шкала В).
Метод Виккерса используется для испытания твердости деталей малой толщины или тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость. Реже этот метод применяется для измерения твердости твердых и мягких материалов.
Метод заключается во вдавливании алмазного наконечника, имеющего форму правильной четырехгранной пирамиды, в образец (изделие) под действием нагрузки Р и измерении диагонали отпечатка d, оставшегося после снятия нагрузки (рис. 4).
Нагрузка Р может меняться от 9,8 (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Твердость по Виккерсу
[МПа],
если Р выражена в Н, и
[кгс/мм2],
Методом микротвердости обычно измеряется твердость в пределах отдельных зерен или очень тонких слоев. Два последних метода чаще всего используются в исследовательских работах.
Микротвердость. Определение микротвердости (твердости в микроскопически малых объемах) необходимо для тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов (рис. 5). Прибор для определения микротвердости состоит из механизма для вдавливания алмазной пирамиды с небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа. В испытываемую поверхность вдавливают алмазную пирамиду под нагрузкой 0,05…5,00 Н. Твердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:
,
46 вопрос
Вязкость – способность материалов поглощать энергию развиваемых в нем трещин.
|
Ударная вязкость измеряется в результате разрушения образцов при испытании на ударный изгиб. 
, где Eразр = mg(H – h) – энергия, поглощенная образцом при разрушении; Fизлома – площадь поверхности излома.
47 вопрос
Испытания проводят на образцах разного типа с разными надрезами.
Значение КС при испытаниях на разных образцах различно. Это необходимо для определения значения КС материала. Используются три вида образца, чтобы зафиксировать место разрушения.
Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушения скачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом.
Tхл – порог хладноломкости. Рабочие температуры выбирают выше значения Tхл
48 вопрос
Усталость материала — процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных (часто циклических) напряжений, приводящий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению материала за указанное время.
49 вопрос
выносливость свойство материала воспринимать переменные (циклические) нагрузки без разрушения указанное время. Кроме того это понятие близко связано с прочностью, существует понятие усталостной прочности.
50 вопрос
Хладноломкость — этим термином обозначается недостаток, свойственный некоторым сортам ковкого железа (а также нек. др. металлов) и состоящий в склонности металла растрескиваться и ломаться при холодной механической его обработке. Недостаток этот не мешает, однако, железу беспрепятственно выносить различные механические формоизменения в нагретом состоянии, коваться, свариваться и т. д. Свойство хладноломкости вызывается в железе посторонними примесями.
51 вопрос
52 вопрос
Наиболее впечатляющим свойством металлов при пластической деформации является деформационное упрочнение, или способность металлов становиться прочнее при деформации называется наклепом.
53 вопрос
54 вопрос
Для снятия наклепа деформируемый металл нагревают, в результате происходят процессы перераспределения и уменьшения концентрации структурных несовершенств: возврата, полигонизации и рекристаллизации. Заключительным и сильно действующим процессом, переводящим наклепанный металл в устойчивое состояние, является рекристаллизация – процесс полной или частичной замены деформированных зерен данной фазы другими, более совершенными зернами той же фазы (рис. 7). Рекристаллизация заключается в зарождении новых, более совершенных зерен и их росте за счет менее совершенных, т.е. рекристаллизация является диффузионным процессом, протекающим во времени.
 |
Рис. 7. Изменение структуры и свойств деформированного металла
при нагреве
55 вопрос
С повышением температуры диффузия атомов увеличивается и в металле начинают развиваться процессы, приводящие его к более равновесному состоянию. Это явление возврата.
Первая стадия возврата – отдых, наблюдается при невысоком нагреве. При отдыхе происходит уменьшение количества вакансий, уменьшение плотности дислокаций, частичное снятие напряжений.
Вторая стадия возврата – полигонизация, деление зерен на части – полигоны (субзерна).
Полигонизация происходит в результате скольжения и переползания дислокаций, вследствие чего дислокации одного знака образуют «стенки», разделяющие зерна на полигоны. В полигонизованном состоянии кристалл обладает меньшей энергией по сравнению с деформированным, и образование полигонов является энергетически выгодным процессом. Температура начала полигонизации не является константой. Скорость полигонизации зависит от природы металла, степени предшествующей деформации, содержания примесей. При возврате заметных изменений в микроструктуре не наблюдается, металл сохраняет волокнистое строение. При этом твердость и прочность несколько понижаются, а пластичность возрастает.
56 вопрос
рекристаллизация – процесс полной или частичной замены деформированных зерен данной фазы другими, более совершенными зернами той же фазы. Рекристаллизация заключается в зарождении новых, более совершенных зерен и их росте за счет менее совершенных, т.е. рекристаллизация является диффузионным процессом, протекающим во времени.
Наименьшую температуру, при которой начинается процесс рекристаллизации и происходит разупрочнение, называют температурой рекристаллизации.
Рекристаллизация первичная (обработки) заключается в образовании зародышей и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой.
Собирательная рекристаллизация – вторая стадия рекристаллизационного процесса заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. Рост зерен объясняется тем, что при наличии большого количества мелких зерен их общая поверхность очень велика, поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.
57 вопрос
Холодная деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре ниже температуры рекристаллизации. При холодной деформации увеличивается плотность дислокаций, зерна вытягиваются в направлении деформации, увеличивается прочность металла и снижается пластичность.
Горячая деформация – деформация металла, которая осуществляется при температуре выше температуры рекристаллизации. При горячей обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке, прессовании) упрочнение, создаваемое в процессе деформации, снимается в результате рекристаллизации в ходе самой деформации.
58 вопрос
1. Упрочнение за счет увеличения количества дислокаций в структуре материала. Величина упрочнения, обусловленная механизмом торможения дислокаций (tр), прямо пропорциональна плотности дислокаций (r), tр ~Ör. Чем больше степень деформации материала, тем больше становится плотность дислокаций и возрастает сопротивление материала деформации. Поэтому различают 3 стадии деформационного упрочнения.
На начальной стадии пластическая деформация осуществляется движением дислокаций, в одной системе - стадия легкого скольжения. Дислокации на этой стадии перемещаются сравнительно беспрепятственно на большие расстояния, обеспечивая прогрессивную деформацию без значительного роста приложенных напряжений - это I стадия деформационного упрочнения.
При более значительной степени деформации протекает стадия множественного скольжения -движение дислокаций осуществляется в двух и более системах. Плотность дислокаций достигает 1011 - 1012 см-2. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями их движение затруднено и для их продвижения внешнее напряжение должно резко увеличиваться - это II стадия деформационного упрочнения.
Под влиянием возрастающего напряжения развивается поперечное скольжение винтовых дислокаций. Это приводит к частичной релаксации напряжений, анигиляции отдельных дислокаций разного знака и группировке дислокаций в объемные ячейки, внутри которых плотность дислокаций меньше, чем в стенках ячеек. Это - III стадия деформационного упрочнения, где оно уменьшается - динамический возврат.
2. Упрочнение за счет торможения дислокаций дисперсными частицами. В некоторых сплавах в структуре могут находиться дисперсные (очень мелкие) частицы какой-либо фазы. Это могут быть карбидные частицы, интерметаллические соединения, окислы или другие соединения. Такие частицы являются сильным препятствием для движения дислокаций. Есть два механизма преодоления дислокациями частиц: перерезание их, т. е. прохождение через частицы, и прохождение между ними. Первый механизм предполагает чрезвычайно мелкие частицы, а второй - частицы большого размера и расстояние между ними тоже большое. Если в первом случае сопротивление материала деформации зависит от прочностных свойств частиц и их количества, то во втором случае - с наличием дисперсных частиц (tr), обратно пропорционально расстоянию между частицами (L): tr ~1/L. Наиболее сильно упрочняют мелкодисперсные частицы размером 100-300 Å.
3. Упрочнение за счет торможения дислокаций границами зерен, фрагментов и блоков.
Границы зерен, фрагментов и блоков в связи с концентрацией там дефектов, являются участками, тормозящими двигающиеся дислокации. Напряжение, необходимое для пластической деформации с учетом преодоления дислокациями границ (tг), обратно пропорционально диаметру зерна (d): tг~ d1/2 . Поэтому мелкозернистый материал обладает более высоким сопротивлением деформации, чем крупнозернистый. Иногда в материале возможно действие других механизмов упрочнения, по величине их влияния на прочностные характеристики материала существенно меньше. Из рассмотренного видно, что свойства материала находятся в прямой зависимости от его структуры, т.е. внутреннего строения, что необходимо учитывать на различных стадиях технологического процесса работы с материалом.
Дата добавления: 2015-07-25; просмотров: 75 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Классификация свойств конструкционных материалов | | | Сталь 25. |