Чем определяются свойства материалов

Основные свойства материалов и методы их определения

Свойства материалов можно разбить на следующие основные группы:

2) тепловые (температурные);

3) химические (сопротивление металлов коррозии);

5) электрические и магнитные.

Для конструкционных материалов особенно важны механические свойства: прочность, твердость, выносливость и др. Количественные характеристики механических нагрузок определяют в результате испытаний. Многообразие условий службы материалов обуславливает проведение большого числа механических испытаний

Испытание на растяжение. Этот вид испытанийотносится к числу наиболее распространенных статических испытаний, позволяющих определить основные характеристики механических свойств металла. К преимуществам такого испытания относятся сравнительная простота эксперимента и возможность получить растяжение в чистом виде. Для испытания используются стандартные образцы с рабочей частью в виде цилиндра (цилиндрические образцы) или стержни с прямоугольным сечением (плоские образцы). Размеры образцов устанавливает ГОСТ 1497-84.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в зажимы испытательной машины. В процессе испытания диаграммный механизм машины непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения в координатах: нагрузка (P) – абсолютное удлинение образца (). По диаграмме растяжения определяют следующие характеристики механических свойств металла.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца F_о (σ = P/F_о).

Предел пропорциональности (σ_пц) – это напряжение, при котором отступление от линейной зависимости достигает некоторого значения, установленного техническими условиями (в качестве технического условия обычно берут следующее: при напряжении σ_пц тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации с осью нагрузок, увеличивается на 50 % по сравнению с линейным участком).

Предел текучести (σ_т) – это напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки.

У большинства материалов диаграмма растяжения не имеет площадки текучести. В этом случае задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Предел прочности (временное сопротивление, σ_B) – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Под ее действием материал деформируется. В качестве основного показателя пластичности обычно принимают относительное остаточное удлинение δ,равное остаточному удлинению

к первоначальной длине образца .

Испытание на твердость. Это самый простой вид механических испытаний.

Твердость – это свойство материала оказывать сопротивление деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность. Под инденторомпонимается твердосплавный наконечник (в виде шара, пирамиды или конуса), твердость которого существенно превосходит твердость испытуемого материала.

Наибольшее распространение получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: методы Бринелля, Виккерса и Роквелла.

При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром D под действием нагрузки P и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю (HB) определяется как отношение нагрузки P к площади поверхности сферического отпечатка M. Твердость по Бринеллю обозначается символом HB с указанием числа твердости. При этом размерность (кгс/мм²) не ставится, например 200 HB.

При испытании на твердость по методу Виккерса (ГОСТ 2999-75) в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине α = 136º. После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV определяется как отношение нагрузки P к площади пирамидального отпечатка M. Твердость по Виккерсу обозначается символом HV, при этом размерность не ставится (кгс/мм²).

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120º при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR и выражается в условных безразмерных единицах.

Испытание на усталость. Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Металл, подверженный такому нагружению, может разрушаться при более низких напряжениях, чем при однократном плавном нагружении. Процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушений, называют усталостью. Свойство материалов противостоять усталости называют выносливостью.

Схема испытаний на усталость следующая. Циклическое напряжение осуществляется подвешенным на подшипнике неподвижным грузом при вращении консольно закрепленного образца. В результате у образца верхняя поверхность работает на растяжении (σmax), а нижняя – на сжатии (σmin). За один оборот образца каждая поверхность проходит полный цикл напряжения, от максимального до минимального.

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламентирована ГОСТ 25.502-79. В результате таких испытаний снимают кривую (диаграмму) усталости – это зависимость между максимальным приложенным напряжением и числом циклов. Обычно диаграммы принимают одну из форм: а) имеющих предел выносливости; б) не имеющих предела выносливости.

У части материалов кривая усталости переходит в горизонталь: у сталей это обычно наблюдается после 10 7 циклов нагружения, для цветных металлов это значение составляет обычно 10 8 циклов. Для этих материалов сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости (σ_R), под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушение образца при любом числе циклов (физический предел выносливости).

У других материалов кривая усталости не переходит в горизонталь, а продолжает снижаться. Для таких материалов обычно задают базу испытаний (Nn) – предварительно заданная наибольшая продолжительность испытаний на усталость. Под пределом ограниченной выносливости σ_RN понимают максимальное напряжение, при котором материал может выдержать Nn циклов.

Источник

Понятие свойство материала. Классификация свойств

Классификация строительных материалов

Номенклатура материалов, применяемых в современном строительстве огромна. Чтобы легче ориентироваться в многообразии строительных материалов и изделий, чаще всего их классифицируют по назначению, исходя из условий работы материалов в сооружениях и по технологическому признаку, учитывая вид сырья, из которого получают материал, и способ изготовления (керамические, древесные, каменные, бетонные и железобетонные и т.д.).

Для архитектурного и строительного материаловедения наиболее удобна классификация по назначению: материалы условно делят на две группы: конструкционные и материалы специального назначения.

Иногда встречается разделение материалов на конструкционные, конструкционно-отделочные и отделочные, однако не совсем верно, т.к. классификация не включает огромную группу материалов, например, герметики.

Конструкционные материалы, применяемые главным образом для несущих конструкций, различают следующие:

1) природные каменные;

3) искусственные каменные, получаемые:

а) омоноличиванием с помощью вяжущих веществ (бетон, железобетон, растворы);

б) спеканием (керамические материалы и огнеупоры);

в) плавлением (стекло и ситаллы);

4) металлы (сталь, чугун, алюминий, сплавы);

7) композиционные материалы (асбестоцемент, железобетон, полимербетон, фибробетон, стеклопластик и др.).

Строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды или повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта, следующие:

3) гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие;

7) материалы для защиты от радиационных воздействий и др.

Понятие свойство материала. Классификация свойств

Важным слагаемым, определяющим качество современной архитектуры, является качество применяемых в строительстве конструкционных и отделочных материалов и изделий. Борьба за повышение качества промышленной продукции неразрывно связана с его оценкой, управлением, контролем и аттестацией. Чтобы управлять качеством, необходимо, прежде всего, научиться его измерять.

Каждый материал обладает комплексом разнообразных свойств, определяющих область его рационального применения и возможность сочетания с другими материалами.

Свойство — способность материала определенным образом реагировать на отдельный или чаще всего действующий в совокупности с другими внешний или внутренний фактор. Действие того или другого фактора обусловлено как составом и строением материала, так и эксплуатационными условиями материала в конструкции зданий и сооружений.

Простое свойство— свойство материала (изделий), которое нельзя подразделить на другие. Например, масса материала» или «длина изделия» не могут быть представлены другими, более простыми свойствами.

Качество— сложное свойство, совокупность всех функциональных и эстетических свойств материала (изделия), обусловливающих его способность удовлетворять определенным требованиям в соответствии с его назначением.

Интегральное качество (соотношение цена/качество)— наиболее сложное свойство материала (изделия), определяемое совокупностью его качества и экономичности.

Общие свойства строительных материалов и изделий можно классифицировать на три основные группы: функциональные, эстетические и экономические. Каждая группа представляет собой сложное свойство, которое, в свою очередь, является совокупностью менее сложных свойств.

Свойства строительных материалов и изделий по их природе классифицируют на три основные группы: — физические, механические и химические.Такое деление широко применяется для изучения методов оценки свойств, для выявления закономерных связей между строением и свойствами веществ и других исследовательских и прикладных целей.

К физическим свойствамматериалов относятся:

· характеристики структур и массы (плотность, пористость, пустотность и др.);

· свойства, определяющие отношение материалов к действию воды, пара, газов (гигроскопичность, водопоглощение, водопроницаемость, влагостойкость, водостойкость, паропроницаемость, газопроницаемость и др.);

· отношение материалов к действию тепла, огня, холода, электрического тока, звуковых волн, излучений (теплопроводность, термостойкость, огнестойкость, огнеупорность, хладостойкость, электропроводность, звукоизолирующая и звукопоглощающая способность, радиационная стойкость и др.);

· отношение к комплексному действию внешней среды, например, одновременного действия воды и холода (морозостойкость) и т.п.

Для архитектора не менее важны физические свойства материалов, характеризующие их цвет, блеск, фактуру, текстуру и др.

Под механическими свойствами материалов понимают их способность сопротивляться деформированию и разрушению (в сочетании с упругим и пластическим поведением) под действием внешних сил.

К этим свойствам относятся: прочность (при сжатии, растяжении, изгибе, ударе, срезе, кручений и т.д.), твердость, упругость, деформативность, хрупкость, ударная вязкость, пластичность, текучесть, ползучесть, выносливость (усталость), истираемость и др.

Кроме этих основных групп свойств можно выделить биологические свойства строительных материалов и изделий, характеризующих их стойкость к действию грибков, микроорганизмов, насекомых и их личинок, и др. Однако все биологические процессы могут быть сведены к химическим.

Санитарно-гигиеническиехарактеристики материалов, в основном, зависят от их химического состава и оцениваются методами санитарно-химического анализа. Исключение составляет характеристика загрязняемости, которая определяется, главным образом, наличием на поверхности материала открытых пор. Санитарно-гигиенические свойства правомерно выделить в отдельную группу, однако обычно они рассматриваются в группе химических свойств.

Источник

Свойства материалов и методы их определения

1.1. Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов:

Из свойств, которыми могут обладать материалы, механические свойства в большинстве случаев являются важнейшими. Все наиболее ответственные детали и изделия изготавливают из металлов.

Для металлов характерна металлическая связь, когда в узлах кристаллической решетки расположены положительно заряженные ионы, окруженные электронным газом. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации.

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо, прежде всего, учитывать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение – величина нагрузки, отнесенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.

Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругой, исчезающей после снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки.

Пластичность – свойство твердых тел, не разрушаясь, необратимо изменять свои внешние формы (пластически течь) под действием внешних сил или внутренних напряжений. Пластические изменения формы металлического тела называют пластической деформацией.

Пластическая деформация может осуществляться скольжением и двойникованием, обычно при участии дислокационных дефектов (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема процесса скольжения и двойникования

Чем больше в металле плоскостей и направлений скольжения, тем выше его способность к пластической деформации (рис. 3. 2). Металлы, имеющие кристаллическую решетку ОЦК и ГЦК, пластичны.

Рис. 3.2. Плоскости и направления (заштрихованные плоскости) скольжения в кристаллической решетке: а – ГЦК; б – ОЦК; в – ГПУ

Скольжение – последовательное перемещение одной части кристалла по отношению к другой в результате перемещения уже имеющихся в кристалле дислокаций или только возникающих (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема дислокационного механизма пластической деформации

Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Рис. 76. Виды нагрузок, вызывающих изменение формы металла или cплава

Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:

правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.

Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Рис. 77. Деформация, характеризующая упругость (после снятия нагрузки образец возвращается в исходное положение)

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.

Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс•м/см 2 (Дж/м 2 ).

Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ_т, предел текучести условный (технический) σ_0,2, предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S_к и относительное удлинение и сужение δ, φ.

1.2. Методы испытания металлов и сплавов:

Для установления комплекса механических свойств металлов образцы из исследуемого материала подвергают статическим и динамическим испытаниям.

Статическими называются испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно и плавно.

1.2.1. К статическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, а также определение твердости.

В результате испытаний на статическое растяжение, которое проводят на разрывных машинах, получают диаграмму растяжения (рис.4.6 а) и диаграмму условных напряжений (рис. 4.6 б) пластичного металла.

Рис. 4.6. Изменение деформации в зависимости от напряжения:

а – диаграмма растяжения пластичного материала; б – диаграмма условных напряжений пластичного материала

Из графика видно, что сколь бы ни было мало приложенное напряжение, оно вызывает деформацию, причем начальные деформации являются всегда упругими и величина их находится в прямой зависимости от напряжения. На кривой, приведенной на диаграмме(рис. 4.6), упругая деформация характеризуется линией ОА и ее продолжением.

Выше точки А нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией. Напряжение вызывает уже не только упругую, но и пластическую деформацию.

Представленная на рис. 4.6 зависимость между приложенным извне напряжением и вызванной им относительной деформацией характеризует механические свойства металлов:

— наклон прямой ОА (рис. 4.6а) показывает жесткость металла или характеристику того, как нагрузка, приложенная извне, изменяет межатомные расстояния, что в первом приближении характеризует силы межатомного притяжения; тангенс угла наклона прямой ОА пропорционален модулю упругости (Е), который численно равен частному от деления напряжения на относительную упругую деформацию (Е= s / e);

— напряжение s_пц (рис. 4.6б), которое называется пределом пропорциональности, соответствует моменту появления пластической деформации. Чем точнее метод измерения деформации, тем ниже лежит точка А;

— напряжение s_упр (рис. 4.1б), которое называется пределом упругости, и при котором пластическая деформация достигает заданной малой величины, установленной условиями. Часто используют значения остаточной деформации 0,001; 0,005; 0,02 и 0,05%. Соответствующие пределы упругости обозначают s_0,005, s_0,02 и т.д. Предел упругости – важная характеристика пружинных материалов, которые используют для упругих элементов приборов и машин;

— напряжение s_0,2, которое называется условным пределомтекучести и которому соответствует пластическая деформация 0,2 %. Физический предел текучести s_т определяется по диаграмме растяжения, когда на ней имеется площадка текучести. Однако при испытаниях на растяжение большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет Выбранная пластическая деформация 0,2 % достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим, а напряжение s_0,2 несложно определяется при испытаниях независимо от того, имеется или нет площадка текучести на диаграмме растяжения. Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают обычно меньше s_0,2 в 1,5 раза;

— максимальное напряжение s_в, которое называется временным сопротивлением, характеризует максимальную несущую способность материала, его прочность, предшествующую разрушению, и определяется по формуле

Допустимое напряжение, которое используют в расчетах, выбирают меньше s_в в 2,4 раза.

Пластичность материала характеризуется относительным удлинением d и относительным сужением y:

где l_о и F_о – начальные длина и площадь поперечного сечения образца;

F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

1.2.2. Твердость– способность материалов сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела, которое называется индентором.

Существует разные методы определения твердости.

Твердость по Бринеллю определяется как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в испытуемый материал к площади поверхности полученного сферического отпечатка (рис. 4.7а).

где Р – нагрузка, кгс;

D – диаметр шарика, мм;

d – диаметр лунки, мм

Рис. 4.7. Схемы испытания на твердость: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Роквеллу определяется глубиной проникновения в испытуемый материал алмазного конуса с углом при вершине 120 о или закаленного шарика диаметром 1,588 мм (рис. 4.7.б).

Конус или шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками:

— предварительной Р_о = 10 н;

— общей Р = Р_о + Р₁, где Р₁ – основная нагрузка.

Твердость обозначается в условных единицах:

— для шкал А и С HR = 100 – (h – h_o) / 0,002

— для шкалы В HR = 130 – (h – h_о) / 0,002

Для определения твердости используется алмазный конус при нагрузке 60 Н (HRA), алмазный конус при нагрузке 150 Н (HRC) или стальной шарик диаметром 1,588 мм (HRB).

Твердость по Виккерсу измеряют для деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, полученных химико-термической обработкой.

Эта твердость определяется как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый материал алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136 о к площади поверхности полученного пирамидального отпечатка (рис. 4.7.в):

где P – нагрузка, кгс;

a = 136 о – угол между гранями;

d – среднее арифметическое длин обеих диагоналей, мм.

Величину HV находят по известному d согласно формуле или по расчетным таблицам согласно ГОСТ 2999-75.

Микротвердость, учитывая структурную неоднородность металла, применяют для измерения малых площадей образца. При этом вдавливают пирамиду как при определении твердости по Виккерсу, при нагрузке Р = 5-500 Н, а среднее арифметическое длин обеих диагоналей (d) измеряется в мкм. Для измерения микротвердости используется металлографический микроскоп.

1.2.3. Сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках характеризует ударная вязкость. Её определяют (ГОСТ 9454-78) как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра (рис. 4.8): КС = К / S_o ( К – работа разрушения; S_o – площадь поперечного сечения образца в месте концентратора).

Рис. 4.8. Схема испытаний на ударную вязкость

Ударную вязкость (МДж/м 2 ) обозначают KCU, KCV и KCT. Буквы КС означают символ ударной вязкости, буквы U, V, T – вид концентратора: U-образный с радиусом надреза r_н = 1 мм, V-образный с r_н = 0,25 мм; T – трещина усталости, созданная в основании надреза; KCU – основной критерий ударной вязкости; KCV и KCT используют в специальных случаях.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле

l₁ – расстояние от оси маятника до его центра тяжести;

1.2.4. Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжений – совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями s_max и s_min в течение периода Т (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Синусоидальный цикл изменения напряжений

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью (ГОСТ 23207 – 78).

На усталость деталей машин влияют ряд факторов (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Факторы, влияющие на усталостную прочность

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей:

— оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, меньших пределах текучести или временного сопротивления;

— разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды;

— разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение;

— разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон – усталости и долома (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Схема излома усталостного разрушения: 1 – очаг зарождения трещины; 2 – зона усталости; 3 – зона долома

1.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов

Конструкционная прочность металлов и сплавов – это комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкции.

Переход к хрупкому разрушению обусловлен рядом факторов:

— природой сплава (типом решетки, химическим составом, величиной зерна, загрязнением сплава);

— особенностью конструкции (наличием концентраторов напряжений);

— условиями эксплуатации (температурным режимом, наличием нагрузки на металл).

Существует несколько критериев оценки конструкционной прочности металлов и сплавов:

— критерии, определяющие надежность металлов против внезапных разрушений (критическая температура хрупкости; вязкость разрушения; работа, поглощаемая при распространении трещины; живучесть при циклическом нагружении);

— критерии, определяющие долговечность материала (усталостная прочность; контактная выносливость; износостойкость; коррозионная стойкость).

Для оценки надежности материала используют также параметры: 1) ударную вязкость KCV и КCT; 2) температурный порог хладноломкости t ₅₀. Однако эти параметры только качественные, непригодные для расчета на прочность.

Параметром KCV оценивают пригодность материала для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности.

Параметр KCT, определяемый на образцах с трещиной усталости у основания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идет без затраты работы. Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадежен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации. KCT учитывают при выборе материала для конструкций особо ответственного назначения (летательных аппаратов, роторов турбин и т. п.).

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.4.12), наблюдаемое в интервале температур (t_в – t_х) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Рис. 4.12. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкость материала KCV, KCT

Если плотность дислокаций (количество дефектов) меньше величины а (рис.4.13), то сопротивление деформации резко увеличивается и прочность быстро приближается к теоретической.

Повышение прочности достигается:

— созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой, т.е. получение нитевидных кристаллов («усов»);

— повышение плотности дефектов, в том числе дислокаций, а также структурных препятствий, затрудняющих движение дислокаций;

— создание композиционных материалов.

4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация)

Пластическая деформация (рис. 4.14) приводит к созданию неустойчивого состояния материала из-за возросшей внутренней энергии (внутренних напряжений). Деформирование металла сопровождается его упрочнением или так называемым наклепом. Самопроизвольно должны происходить явления, возвращающие металл в более устойчивое структурное состояние.

Рис. 4.14. Влияние нагрева на механические свойства и структуру нагартованного металла

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки, другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Для снятия напряжений кристаллической решетки не требуется высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 –400 о С) снимает искажения решетки, а именно уменьшает плотность дислокаций в результате их взаимного уничтожения, слияния блоков, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т.д.

Исправление искаженной решетки в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При этом твердость металла снижается на 20-30 % по сравнению с исходным, а пластичность возрастает.

Параллельно с возвратом при температуре 0,25 – 0,3 Т_пл происходит полигонизация (сбор дислокаций в стенки) и образуется ячеистая структура.

Одним из способов снятия внутренних напряжений при деформации материалов является рекристаллизация. Рекристаллизация, т.е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Между температурами рекристаллизации и плавления существует связь:

где а – коэффициент, зависящий от чистоты металла.

Для технически чистых металлов а = 0,3 – 0,4, для сплавов а = 0,8.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т.п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

— первичную рекристаллизацию или рекристаллизацию обработки, когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

— вторичную или собирательную рекристаллизацию, заключающуюся в росте зерен и протекающую при более высокой температуре.

Первичная кристаллизация заключается в образовании новых зерен. Это обычно мелкие зерна, возникающие на поверхностях раздела крупных деформированных зерен. Хотя в процессе нагрева и происходят внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из очень мелких зерен, в поперечнике имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс вторичной кристаллизации, заключающийся в росте зерна.

Возможны три существенно различных механизма роста зерна:

— зародышевый, состоящий в том, что после первичной кристаллизации вновь возникают зародышевые центры новых кристаллов, их рост приводит к образованию новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса рекристаллизации зерна в среднем станут крупнее;

— миграционный, состоящий в перемещении границы зерна и увеличении его размеров. Крупные зерна растут за счет «поедания» мелких;

— слияние зерен, состоящее в постепенном «растворении» границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное. При этом образуется разнозернистая структура с низкими механическими свойствами.

Реализация одного из основных механизмов роста зависит:

— от температуры. При низких температурах рост идет за счет слияния зерен, при высоких – за счет миграции границ зерен;

— от исходного состояния ( от степени деформации). При малой степени деформации (3-8%) первичная рекристаллизация затруднена, и рост зерна идет за счет слияния зерен. В конце процесса образуются гигантские зерна. При большой степени деформации (более 10 %) слияние зерен затрудняется, и рост идет за счет миграции границ зерен. Образуются более мелкие зерна. Таким образом, после отжига получается равновесная структура, изменяются механические свойства, снимается наклеп металла, повышается пластичность.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник