лекции пдф

Цели и задачи курса.Основная цель: изучить внутренние строения конструкционных материалов иопределить связи строения с механическим, физическим свойствами и химическим составом.Конструкционные материалы – материалы для изготовления деталей машин имеханизмов, обеспечивающие механическую прочность деталей под действием нагрузки.Выделяют статические (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, температурныевоздействия) и динамические (вибрация, удар) нагрузки.Деталь должна сохранять форму, размеры, не разрушаться. Основной материал дляизготовления деталей – металл.К металлам относят вещества, у которых при повышении температуры увеличиваетсясопротивление.Основные признаки:– наличие кристаллической решетки в твердом состоянии– высокая тепло- и электропроводность– способность к упругому и пластичному деформированиюКосвенные признаки: металлический блеск.Механические свойства металлов.К механическим свойствам металлов относят: прочность, упругость, пластичность,твердость, ударную вязкость.Диаграмма деформирования металлов:Прочность, упругость и пластичность изучаются при испытаниях на растяжение.Прочность–способностьматериаловвыдерживать нагрузки без разрушения.Упругость – способность материалов изменятьформу под действием нагрузки, и возвращаться висходное состояние после снятия нагрузки.Пластичность–способностьматериалаприобретать необратимые изменения формы поддействием нагрузки.Для того чтобы исключить влияние размеров иформ испытываемых деталей на результат испытания: 1)испытания проводят на стандартных образцах; 2)результат испытаний пересчитывают на относительныеPвеличины: усилие в напряжение σ =; деформацию вF0l − l0⋅ 100% ; l0 – начальная длина рабочей части; l – длинаотносительную деформацию ε =l0рабочей части под действием усилия.Относительные величины применяют, чтобы охарактеризовать материал, а необразец.В результате испытаний на растяжение строят диаграммы растяжения.1а) характеризует процесс деформирования образца; б) характеризует деформирование материала образцаσПЦ – предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого материалдеформируется строго упруго, то есть соблюдается закон Гука σ = Eε, где E – модульупругости.σ0,2 – условный предел текучести – напряжение, при котором доля необратимойпластичной деформации составляет 0,2 % = εПЛ.σТ – физический предел текучести – напряжение, при котором происходитзначительное увеличение пластической деформации, при этом напряжение остаетсяпостоянным (присутствует не у всех металлов).σВ – предел прочности – предел временного сопротивления, выше которогопроисходит разрушение материала – основная характеристика механической прочности.Измерение твердости.Твердость – способность материалов сопротивляться проникновению в негоинородного тела при статическом вдавливании.Общая идея: в плоскую поверхность образца из исследуемого материала с заданнымусилием специальный наконечник – индентор.

О твердости судят либо по площадиполученного отпечатка, либо по глубине вдавливание индентора.Измерение твердости методом Бринеля.Индентор – шарик диаметра 2,5; 5 или 10 мм.PТвердость по шкале Бринеля: HB =πD(D − D 2 − d 2 )2P – усилие вдавливания, D – диаметр шарика, d –диаметр полученного отпечатка, измеряемый после удаленияиндентора.Достоинства метода: высокая универсальность, то естьспособность к измерению материалов с разной структурой.Недостатки метода: необходимость дополнительныхизмерений; необходимость дополнительных расчетов дляполучения HB приводит к тому, что метод не оперативный.Испытания проводят на специальных прессах – твердомерах, развивающих строгоопределенное усилие вдавливания, являющееся стандартным.

За счет изменения диаметраиндентора, можно измерять твердость материалов в широком диапазоне.Измерение твердости методом Роквелла.В методе Роквелла твердость определяетсяглубиной вдавливания индентора.Индентор – конус с углом при вершине 1200.Нагружение в три этапа: а) предварительное малое усилие P0 для обеспеченияконтакта с образцом; б) основное нагружение усилием P = P0 + Pраб; в) снятие рабочегоусилия Pраб. Остается P0 для обеспечения контакта с образцом.2О твердости материала судят по глубине вдавливания h, измеряемого на 3-м этапенагружения. Для метода Роквелла характерна высокая оперативность.Для повышения универсальности существуют три шкалы:шкалаобозначениеАHRAВHRBСHRCРазным шкалам соответствуют разные рабочие усилия, что позволяет измерятьматериалы с разными характеристиками твердости.Измерение твердости методом Викерса.Методы Бринеля и Роквелла малопроигодны дляизмерения твердости тонких образцов из-за высоких усилий 9,8Н< Pраб < 1200 Н.Индентор – четырехгранная пирамида; угол при вершине1360.HV = kPрабD2, где D – диагональ отпечатка, k – размерныйкоэффициент.Недостатки метола: дополнительные измерения и расчеты.Достоинства метода: возможность измерять тонкиеобразцы.Измерение ударной вязкости.Вязкость – способность материалов поглощатьэнергию развиваемых в нем трещин.Ударная вязкость измеряется в результатеразрушения образцов при испытании на ударныйE разризгиб.

KC =, где Eразр = mg(H – h) – энергия,Fизломапоглощенная образцом при разрушении; Fизлома –площадь поверхности излома.Испытания проводят на образцах разного типас разными надрезами.Значение КС при испытаниях на разныхобразцах различно. Это необходимо для определениязначения КС материала.

Используются три вида образца, чтобы зафиксировать местьразрушения.Значение КС сильно зависит от температуры. Для большинства конструкционных3материалов существует пороговое значение температуры, при которой характер разрушенияскачкообразно меняется: ниже – хрупкое разрушение, малая энергия поглощения, стрещинами; выше – вязкое разрушение, трещины распространяются с трудом.Tхл – порог хладноломкости. Рабочие температуры выбирают выше значения Tхл.Кристаллическое строение металлов.Почти все металлы – поликристаллические вещества, состоящие из отдельных мелкихкристаллов.Кристалл – атомная структура, состоящая из атомов, зафиксированных друготносительно друга. Места расположения атомов – узлы кристаллической решетки.Особенность кристаллов – упорядоченное строение.Ячейка кристаллической решетки – группа атомов, упорядоченно расположенныхдруг относительно друга и периодически повторяющихся в кристалле по всем направлениям.В зависимости от расположения атомов в ячейке различают различные типыкристаллических решеток.

Всего типов решеток – 14.Плотность упаковки атомов в решетке определяется полным числом атомов,находящихся внутри объемного тела, образованного плоскостями, проходящими черезцентры внешних атомов ячейкиОсновные типы решеток.схеманазваниеколичество атомовкубическая1Объемно-центрированнаякубическая (ОЦК)24Гранецентрированнаякубическая (ГЦК)3Интересна связь строения кристаллической решетки смеханическими и физическими свойствами материала. Отпрочности связи зависит степень сопротивления деформации. Отстроения зависит способность к пластической деформации.Деформирование происходит за счет сдвига атомных плоскостей.Сдвиг происходит наиболее легко вдоль атомных плоскостей снаиболее плотной упаковкой атомов.

Рассмотрим объемноцентрическую кубическую решетку (ОЦК):1) Плоскость ABCD. Количество атомов в плоскости ABCD– 1; площадь ABCD = a2; площадь, приходящаяся на 1 атом –a2= a 2 – мераудельная площадь: S =1плотности упаковки.2) Плоскость ABGH.

Количествоатомов в плоскости ABGH – 2; площадь2≈ 0,7a 2 < a 2 .ABGH = a2 2 ; S = a 22В плоскости ABGH плотность упаковки больше чем в ABСD.Наиболее вероятен сдвиг вдоль диагональных плоскостей.Реальное строение кристаллов.Неоднородный химический состав и внешние условия вызываюткристаллической решетки. Выделяют дефекты трех типов:1) точечные (вакансии, внедренные атомы);2) линейные (краевые и винтовые дислокации);3) объемные (микропоры, трещины, газовые пузырьки).Точечные дефекты:Вакансия – отсутствие атома в узле кристаллической решетки.Внедренные атомы: а) чужеродный атом в узле кристаллическойрешетки; б) атом вне узла, в межузельном пространстве.дефектыЛинейные дефекты:Дислокации: краевые – оборванный крайатомной плоскости внутри кристаллической решетки;винтовые – условная ось внутри кристалл,относительнокоторойзакручиваютсяатомныеплоскости в процессе кристаллизации.Объемные дефекты:Возникают из-за влияния внешних условий кристаллизации или под действиемвнешних нагрузок.

В результате несколько вакансий дают пору; несколько линейныхдислокаций – трещину.5Влияние дислокаций на процесс деформирования кристалла.Наличие дислокаций значительно облегчают движениеатомных плоскостей друг относительно друга и способствуетуменьшению предела прочности. В результате деформированиядислокации могут выходить за грани кристалла. Под действиемзначительных усилий в кристалле могут возникать новыедислокации, облегчающие деформирование кристалла (площадкатекучести). Дислокации переплетаются.Если дислокаций нет, то требуется значительное усилие, чтобы деформироватьматериал.

Чем больше дислокаций, тем меньше усилие необходимое для деформацииобразца. Начиная с некоторой концентрации дислокаций деформация затрудняется,дислокации мешают движению друг друга. Возникает эффект упрочнения. Структура,возникающая при большом количестве мешающих друг другу дислокаций.n – плотность дислокаций;Реальные кристаллы имеют много дефектов, от которых зависят свойства материала.Строение металлического слитка.Зона I: Высокая скорость охлаждения. Структура – мелкие,равноосные кристаллы.Зона II: Быстрое охлаждение, большая разность температур,мелкие кристаллы, растущие навстречу оттоку тепла.