materialovedenie_kurs_lektsiy_ (Ответы по материаловедению (курс лекций))

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕКурс лекцийг. Архангельск2009ВведениеМатериаловедение — наука о связях между составом, строением и свойствамиматериалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химическихвоздействиях.Все материалы по химической основе делятся на две основные группы —металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и ихсплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов.В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные.К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Всеостальные металлы относятся к цветным.

Чистые металлы обладают низкимимеханическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применениеограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальныесвойства (например, магнитные или электрические).Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшееприменение в технике приобрели черные металлы. На основе железаизготавливают более 90% всей металлопродукции.

Однако цветные металлыобладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают ихнезаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеюталюминий, медь, магний, титан и др.Кроме металлических, в промышленности значительное место занимаютразличные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина и др. Ихпроизводство и применение развивается в настоящее время опережающимитемпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их впромышленности невелико (до 10%) и предсказание тридцатилетней давности отом, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснятметаллические, не оправдалось.1.

Качество и свойства материалов1.1 Качество материалов и его оценкаКачеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющихопределенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качестваопределяется соответствующими показателями, представляющими собойколичественную характеристику одного или нескольких свойств материалов,которые определяют их качество применительно к конкретным условиямизготовления и использования. По количеству характеризуемых свойствпоказатели качества подразделяются на единичные и комплексные. Единичныйпоказатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердостьстали).

Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствамипродукции. При этом продукция считается качественной только в том случае, есливесь комплекс оцениваемых свойств удовлетворяет установленным требованиямкачества. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценкахимического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.Методы контроля качества могут быть самые разнообразные: визуальныйосмотр, органолептический анализ и инструментальный контроль. По стадииопределения качества различают контроль предварительный, промежуточный иокончательный.При предварительном контроле оценивается качество исходного сырья, припромежуточном — соблюдение установленного технологического процесса.Окончательный контроль определяет качество готовой продукции, ее годность исоответствие стандартам. Годной считается продукция, полностью отвечающаятребованиям стандартов и технических условий.

Продукция, имеющая дефекты иотклонения от стандартов, считается, браком.Качество материала определяется главным образом его свойствами,химическим составом и структурой. Причем свойства материала зависят отструктуры, которая, в свою очередь, зависит от химического состава. Поэтому приоценке качества могут определяться свойства, состав и оцениваться структураматериала.

Свойства материалов и методы определения некоторых из нихизложены в следующих разделах. Химический состав может определятьсяхимическим анализом или спектральным анализом.Существуют различные методы изучения структуры материалов. С помощьюмакроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или принебольшом увеличении с помощью лупы.

Макроанализ позволяет выявитьразличные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины идр.). Микроанализом называется изучение структуры с помощью оптическогомикроскопа при увеличении до 3000 раз. Электронный микроскоп позволяетизучать структуру при увеличении до 25000 раз.Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов.Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через материал и черездефекты, ослабляются в разной степени.

Глубина проникновения рентгеновскихлучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую основу имеет просвечиваниегамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали — до300мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазонапозволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллическихматериалов, так как проникающая способность радиоволн в металлическихматериалах невелика.Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностномслое(до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными свойствами иоснована на искажении магнитного поля в местах дефектов.Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективныйконтроль качества на большой «дубине.

Она основана на том, что при наличиидефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется.Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых глазомтонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легкосмачивающими материал жидкостями.1.2 Механические свойства материаловМеханические свойства характеризуют способность материалов сопротивлятьсядействию внешних сил.

К основным механическим свойствам относятся прочность,твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающемувоздействию внешних сил.Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в негодругого, более твердого тела под действием нагрузки.Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению поддействием динамических нагрузок.Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и формупосле прекращения действия нагрузки.Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры иформу под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних силбез остаточных деформаций.Рис.

1 Статические испытания на растяжение:а – схема испытания; б – диаграмма растяженияПри статических испытаниях на растяжение определяют величины,характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытанияпроизводятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определеннымсоотношением между длиной l0 и диаметром d0. Образец растягивается поддействием приложенной силы Р (рис. 1,а) до разрушения. Внешняя нагрузкавызывает в образце напряжение и деформацию. Σ — это отношение силы Р кплощади поперечною сечения F, Мпа:Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки,%:где: l — длина растянутого образца.Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) ипластической (остающейся после снятия нагрузки).При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собойзависимость напряжения от деформации.

На рис. 1,б приведена такая диаграммадля низкоуглеродистой стали. После проведения испытаний определяютсяследующие характеристики механических свойств.Предел упругости σу— это максимальное напряжение при котором в образцене возникают пластические деформации.Предел текучести σТ — это напряжение, соответствующее площадкетекучести на диаграмме растяжения (рис.

1,6). Если на диаграмме нет площадкитекучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условныйпредел текучести σ0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию,равную 0,2%.Предел прочности (или временное сопротивление) σв — это напряжение,отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец прииспытании.Относительное удлинение после разрыва δ — отношение приращения длиныобразца при растяжении к начальной длине l0, %:где lk —длина образца после разрыва.Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площадипоперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %:где Fk — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.

Относительноеудлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образецтвердого наконечника различной формы.Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стальногозакаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузкив образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяетсяотношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхностиполученного отпечатка.Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленногостального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом привершине 120° (шкалы А и С).

Вдавливание производится под действием двухнагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB иHRC определяется по разности глубин вдавливания.В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырехграннойпирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HVопределяется отношением приложенной нафузки к площади поверхностиотпечатка.Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушениеобразца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м2:Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Дпяиспытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый наопорах копра.

Маятник определенной массы наносит удар по сторонепротивоположной надрезу.1.3 Технология материалов и технологические свойстваТехнология материалов представляет собой совокупность современныхзнаний о способах производства материалов и средствах их переработки в целяхизготовления изделий различного назначения.

Металлы и сплавы производят путемвыплавки при высоких температурах из различных металлических руд. Отрасльпромышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называетсяметаллургией. Полимеры (пластмассы, резина, синтетические волокна)изготовляются чаще всего с помощью процессов органического синтеза. Исходнымсырьем при этом служат нефть, газ, каменный уголь.Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки из металлов исплавов производятся путем литья или обработки давлением. Литейноепроизводство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленногометалла в специальную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурациюизделия. Различают литье в песчаные формы (в землю) и специальные способылитья.