Материаловедение

Основная цель курса: установить связь между химическим составом, строением конструкционного материала и определить влияние этих факторов на физические и механические свойства материала.

Конструкционный материал – материал, предназначаемый для изготовления деталей машин и механизмов и способный выдержать прикладываемые к деталям нагрузки.

НАГРУЗКИ

статические динамические

1. растяжение, сжатие 1) удар

2. изгиб 2) вибрация

3. кручение

4. температурные

Механические испытания

материалов

1. Испытания на растяжение

Основная цель: определение характеристик а) упругости

б) пластичности

в) прочности

Определения

Упругость – способность материала изменять форму и размеры под действием нагрузки и возвращаться в исходное состояние после снятия этой нагрузки.

Пластичность - способность материала приобретать необратимые деформации под действием нагрузки и сохранять их после снятия этой нагрузки.

Прочность - способность материала сопротивляться приложенным нагрузкам без разрушения.

При испытании на растяжение используют специальные круглые образцы

головка

рабочая

часть

l₀

l₀ – длина рабочей части образца

d₀ – диаметр рабочей части образца

F₀ – площадь поперечного сечения рабочей части образца

l₀ / d₀ =5;10 - соотношение при испытании

Головки образца зажимаются в захватах нагружающей машины и нагружается возрастающим усилием Р до разрыва.

В результате фиксируется усилие, прикладываемое к образцу, и измеряется удлинение рабочей части образца:

Δl=l-l₀ ,

где l – длина рабочей части образца под действием усилия.

В результате опытов диаграмма деформирования образца

Диаграмма деформирования металлов

в наиболее общем виде.

а ) опыт б) расчет пересчет

Результаты, полученные в пункте а) пересчитываются на относительные характеристики материала образца.

Р напряжение σ

σ = Р/F₀ [ Мпа ]

Удлиннение относительная деформация (ε)

ε = Δl/l

σ_ПЦ – предел попорциональности – максимальное напряжение, до которого материал деформируется упруго.

σ_0,2 - условный предел текучести – максимальное напряжение, при котором остаточная пластическая деформация составляет 0,2%.

σ_т – физический предел текучести – максимальное напряжение, при котором происходит значительная пластическая деформация при ПОСТОЯННОМ усилии.

σ_В – предел прочности (временное сопротивление) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом до разрушения.

σ_В – важная характеристика материала.

При испытании на растяжение получают дополнительную характеристику:

1. Испытания на твердость

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него инородного тела при статическом вдавливании.

1. Метод Бринелля (НВ):

В давливание в плоскую поверхность образца круглого наконечника

D = 2.5 ; 5 ; 10 мм

О твердости можно судить по площади полученного отпечатка.

d – диаметр отпечатка

(1):

Недостатки метода:

1. Необходимость дополнительных измерений

2. Необходимость дополнительных расчетов по формуле (1)

Достоинства метода:

Пригоден для любых констукторских материалов.

1. Метод Роквелла –

• вдавливание в поверхность конического индентора.

производится в три этапа

а) б) в)

а) предварительное нагружение (малое усилие Р₀)

Цель: предварительный контакт индентора с образцом.

б) основное нагружение (вдавливание индентора в образец) усилие Р - стандартное

в) измерение твердости. Индентор нагружается усилием Р₀ для обеспечения контакта с образцом.

h < H из-за упругости материала образца и индентора.

О твердости судят по величине h.

В методе Роквелла существует три шкалы, отличающиеся усилием, прикладываемым к индентору, и типом индентора

шкала «В» индентор – шарик

шкалы «А» и «С» - конусы

ШКАЛА	ОБОЗНАЧЕНИЕ ТВЕРДОСТИ
«А» «В» «С»	HRA HRB HRC

Достоинства метода:

Высокая оперативность, универсальность.

Недостатки метода:

Непригодность для измерения твердости материалов с неоднородной структурой.

Метод пригоден для измерения твердости образцов только большой толщины (из-за больших нагрузок).

3) Метод Виккерса (HRV).

Форма индентора – прямоугольная пирамида.

Усилия вдавливания варьируются от 9.8 до 1900 H

В ид сверху:

отпечаток

, где k – размерная константа, Р – усилие вдавливания,

D – диагональ отпечатка

Достоинства метода:

Благодаря изменению нагрузки (Р) метод Виккерса обеспечивает измерение твердости материалов в широком диапазоне, в том числе и для тонких образцов.

Недостатки метода:

Необходимость дополнительных измерений, невозможность измерения твердости материалов с неоднородной структурой.

3) Измерение ударной вязкости.

Вязкость – способность материала поглощать энергию развивающейся в ней трещины.

Чем выше вязкость, тем меньше скорость роста трещины.

Ударная вязкость – КС

КС = Е_разр./F_{излома.}

E_разр. – энергия, необходимая для разрушения образца

F_излома – площадь поверхности излома

КС = [Дж/м²]

Схема испытания на КС.

тело массой m

образец F_излома

Е_разр. = mg(H-h)

В зависимости от вида образца различают 3 вида ударной вязкости:

а) KCU

ρ=1 мм

б) KCV

ρ=0.25

в )

т рещина

ρ=0.1 мм

И
змерение ударной вязкости, получаемой на образцах разного типа служат основой для получения ударной вязкости материала.

КС_ист – КС материала

Значение ударной вязкости сильно зависит от температуры (смотри схему ниже):

• при повышении Т ударная вязкость увеличивается;

• при понижении Т ударная вязкость уменьшается.

Для каждого материала существует пороговое значение температуры (Т),

при котором происходит переход от хрупкого разрушения к вязкому

Эта предельная температура называется порогом хладноломкости (Т_хл).

Кристаллическое строение металлов.

Металлы (Ме) являются поликристаллическими веществами, т.е. они состоят из большого числа кристаллов.

Кристаллическое состояние – твердое состояние вещества.

Кристалл – атомно-молекулярная структура, отличающаяся фиксированным упорядоченным расположением атомов.

Кристаллическая решетка – группа атомов, упорядоченно расположенных относительно друг друга. В кристалле ячейки повторяются многократно по всем направлениям.

Тип ячейки определяет строение и свойства кристалла в целом, а свойства каждого из этих кристаллов определяет свойства всего кристалла в целом.

Строение идеальных кристаллов.

Между атомами в металле существует особая металлическая связь. В узлах решетки расположены положительно заряженные ионы, а между атомами располагается электрический газ, состоящий из обобществленных электронов всех атомов кристалла в целом.

Некоторые типы и характеристики

кристаллических решеток.

Тип решетки Схема Количество атомов в решетке

1. Кубическая 1

1. ОЦК 2

(объемно-центр.

кубическая)

1. ГЦК 4

(гране-центр.

кубическая)

Геометрические характеристики ячеек определяют размер и форму ячеек (важный показатель!).

Количество атомов и размер ячейки определяют плотность упаковки атома. Плотность упаковки атома вдоль разных атомных плоскостей внутри кристалла различна.

1. Рассмотрим ABCD:

a

Количество атомов n=1

S_ABCD=a²

S_{удельн.}=S/n =а²

1. Р ассмотрим ABGH:

Количество атомов n=2

Плоскость ABGH является более плотноупакованной по сравнению с ABCD, т.к. S_{уд ABCD}> S_{уд ABGH}.

Деформация кристаллов происходит за счет сдвига атомных плоскостей друг относительно друга. Сдвиг происходит легче всего по направлению наиболее плотноупакованных плоскостей.

Для идеального кристалла сдвиг атомных плоскостей даже на один атомный порядок связан с необходимостью одновременного разрыва всех атомных связей в этой плоскости. Прочность идеальных кристаллов очень велика.

Реальное строение кристаллов.

Внешние условия и неоднородность кристаллизующейся жидкости приводят к возникновению деффектов в кристаллической решетке.

1. Точечные (размерность 0):

а) вакансия;

б) внедренные атомы;

в) межузельные атомы;

Вакансия – отсутствие атома в одном из узлов кристаллической решетки.

внедренный атом

вакансия

межузельный атом

Точечная деформация оказывает влияние на кристаллическую решетку расстоянии в несколько порядков.

1. Линейные (размерность 1):

а) краевые дислокации – оборванный край атомной плоскости внутри кристалла, искажающие кристаллическую решетку на несколько периодов;

б) винтовая дислокация – это ось, проходящая внутри кристалла, вокруг которой закручиваются атомные плоскости при формировании кристалла. Искажение происходит на расстоянии в несколько атомных порядков вокруг нее.