Физико-химические свойства материалов

Введение

Учебная дисциплина «Материаловедение» - одна из основных технических дисциплин в подготовке инженеров различных отраслей производства. Целью изучения данной дисциплины является познание природы и свойств материалов, а также методов их упрочнения для эффективного использования в технике.

Значительное место в пособии занимает изучение основных механических и физико-химических свойств материалов. Кроме того, приведено практическое применение методов исследования и испытаний для решения основных научных и технических задач, позволяющих характеризовать строение и свойства материалов разного состава после различных видов обработки. Большое внимание уделено изучению безобразцовых методов определения механических свойств. Главное его достоинство заключается в возможности ускоренной оценки механических характеристик металла готовых изделий, не выводя их из строя и не вырезая из них образцов. Этот метод контроля эффективно применяется особенно в нефтехимии при оценке остаточного ресурса оборудования, пробывшего длительное время в эксплуатации и выработавшего расчетный срок службы.

Для методической помощи студентам в пособии имеется раздел, в котором описан алгоритм решения задач, а также приведены примеры решения типовых задач.

Учебно-методическое пособие написано в помощь студентам механических специальностей химико-технологических вузов, изучающих дисциплину «Материаловедение». Данный курс, совместно другими общетехническими дисциплинами, направлен на обеспечение общеинженерной подготовки студентов.

Раздел 1. Свойства материалов

Критерии выбора материала

Свойство - это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими матери­алами.

Выделяют три основные группы свойств: эксплу-атационные, техно­логические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его примене­ния. Перво-степенное значение имеют эксплуатационные свойства.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые опре­деляют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и из­делий обеспечивает уровень механических свойств. Механические свой­ства характеризуют поведение материала под действием внешней нагруз­ки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообраз­ны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию хи­мически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость.

Жаростойкость характеризует способность материала противосто­ять химической коррозии, развивающейся в ат-мосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины). Количественны­ми показателями жаростойкости являются:

скорость окисления, оценивающая интенсивность изме-нения массы металла (в г/(м²∙ч)) или скорость роста толщины оксидной пленки на его поверхности (в мкм/ч);

допустимая рабочая температура металла, при которой скорость его окисления не превышает заданного значения.

Коррозионная стойкость - это способность металла противостоять электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности. Количественными показателями коррозионной стойкости являются:

скорость электрохимической коррозии, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м²∙ч)) или линейных размеров образца (в мкм/ч);

степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.

Для некоторых деталей машин и изделий важное значение имеют фи­зические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков вы­сокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, элект-рические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств, главное место занимает технологич­ность материала - его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудо­вых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлени­ем, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее за­висят производительность и качество изготовления деталей.

Наконец, к последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает эконо-мичность его использования. Ее ко­личественным показателем является оптовая цена - стоимость единицы массы материала в виде заготовок, проката, слитков, порошка, по кото­рой завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным предприятиям.

Механические свойства

Поведение металлов под действием внешних нагрузок харак­теризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материа­ла, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских и лаборатор­ных условиях.

К испытаниям механических свойств предъявляется ряд тре­бований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным услови­ям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно просты­ми и пригодными для массового контроля качества металлурги­ческой продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств должны быть строго регламентированы стандартами.

Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций. Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний.

1. Статические кратковременные испытания одно-кратным нагружением на одноосное растяжение - сжатие, твердость, изгиб и кручение.

2. Динамические испытания с определением ударной вязкости и ее составляющих - удельной работы зарождения и развития трещины.

3. Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.

4. Испытания на термическую усталость. Испытания на ползучесть и длительную прочность.

5. Испытания на сопротивление развитию трещины с опреде­лением параметров вязкости разрушения.

7.Испытания материалов в условиях сложнонап-ряженного состояния, а также натурные испытания деталей, узлов и готовых конструкций.

а б

Рис. 1.1. Схема машинных диаграмм растяжения пластичных материалов: а – с площадкой текучести, б – без площадки текучести

 

Наиболее часто проводят испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84). Обычно применяют малый пятикратный образец круг­лого сечения (диаметр 5 мм, расчетная длина 25 мм). На рис. 1.1. приведены два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести в координатах нагрузка Р - удлинение ∆ℓ. Диаграмма просто преобразуется в диаграмму в координатах на­пряжение σ - относительная деформация δ. При этом σ = P/F₀; δ = (∆ℓ/ℓ₀) ∙ 100 %, где F_o, ℓ₀ - начальная площадка сечения и длина образца до испытания.

Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой де­формации ОА, равномерной пластической деформации АВ и со­средоточенной деформации шейки ВС.

В области упругой деформации (участок ОА) зависи-мость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца ∆ℓ пропорциональна и известна под названием закона Гука:

Р = k∙∆ℓ,

где k = E∙F/ℓ - коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения F_o и длины ℓ₀) и свойств ма-териа­ла (параметр Е).

Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:

σ = Е∙δ,

где σ = P/F_o - нормальное напряжение; δ = ∆ℓ/ℓ_о - относительная упру­гая деформация.

При растяжении определяют следующие показатели прочности и пла­стичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются удельной величи­ной - напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим оп­ределение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.

Предел текучести (физический) (σ_т, МПа) - это наи­меньшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без за­метного изменения нагрузки:

σ_т = Р_т / F ₀ ,

где Р_т - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме рас­тяжения (см. рис. 1.1, а).

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 1.1, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и оп­ределяют условный предел текучести.

Условный предел текучести (σ_0,2, МПа) - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:

σ_0,2 = Р_0,2 / F₀ ,

где Р_0,2 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению ∆ℓ_0,2 = 0,002 ∙ℓ₀.

Временное сопротивление (предел прочности) (σ_в, МПа) - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрыву образца:

σ_в = P_max / F₀ .

Истинное сопротивление разрыву (S_к, МПа) - это на­пряжение, определяемое отношением нагрузки Р_к в момент разрыва к пло­щади поперечного сечения образца в месте разрыва F_k:

S_к = P_к / F_к ,

где F_к = nd / 4.

Пластичность - одно из важных механи­ческих свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.

Предельное равномерное удлинение (δ_р, %) - это наи­большее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца ∆ℓ_р до нагрузки Р_max к ее первона­чальной длине (см. рис. 1.1, а):

δ_р = (∆ℓ_р/ ℓ₀)∙ 100 = [(ℓ_p- ℓ₀)/ ℓ₀ ] ∙100.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует пре­дельное равномерное сужение (ψ_р,%):

ψ_p = (∆F_р / F₀)∙ 100 = [(F₀ - F_p) / F₀]∙ 100,

где F_р = nd /4 - площадь поперечного сечения образца, соответствующая Р_max. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить

ψ_р = δ_p / (l + δ_p).

При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.

Относительное удлинение после разрыва (δ,%) - это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва ∆ℓ_к к ее первоначальной длине:

δ = (∆ℓ_к / ℓ₀)∙100 = [(ℓ_к - ℓ₀) / ℓ₀]∙100.

Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения ℓ₀ и F_o, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение ℓ₀ / и кратность образца, тем больше δ. Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у δ указывает на крат­ность образца, например δ₂,₅ , δ₅, δ₁₀ .

Относительное сужение после разрыва (ψ,%) - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте раз­рыва ∆F_к к начальной площади поперечного сечения:

ψ = (∆F_к / F₀)∙ 100 = [(F_o – F_к) / F₀]∙ 100.

В отличие от конечного относительного удлинения конечное относи­тельное сужение не зависит от соотношения ℓ₀ и F_o (кратности образца), так как в последнем случае дефор-мацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.

Условно принято считать металл надежным при δ ≥ 15%, ψ ≥ 45%.

Наиболее простым методом испытания свойств является из­мерение твердости. Твердостью называют свойство материала ока­зывать сопротивление деформации в поверхностном слое при ме­стных контактных воздействиях. Наибольшее примене-ние получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания достаточно большой на­грузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконеч­ником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в не­большом объеме, окруженном недеформированным металлом. В та­ких условиях испытания, близких к всестороннему неравномер­ному сжатию, возникают главным образом касательные напря­жения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испы­таний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные сплавы, но и металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без макро­скопически заметной пластической деформации.

Таким образом, твердость характеризует сопротивление пла­стической деформации и представляет собой механическое свой­ство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Я. Б. Фридман предложил рассматривать измерения твердости как «местные механические испытания по­верхностных слоев материала». Преимущества измерения твер­дости следующие:

1. Между твердостью пластичных металлов, определя-емой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует коли­чественная зависимость. Величина твердости характеризует вре­менное сопротивление металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предше­ствующей разрушению и отнесенной к его первоначальной пло­щади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пла­стическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформа­ции, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.

Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пласти­ческой деформации, а при измерении твердости получают пласти­ческую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдав­ливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластич-ности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за 30 - 60 с, а при вдав-ливании шарика за 1-3 мин.

3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.

Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закален­ной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно измерять также твердость отдельных составляющих в сплавах. Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости про­водить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не раз­рушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного кон­троля.

Измерение твердости (макротвердости) характеризуется тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме ока-зываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с располо­жением, характерными для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала.

Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную струк­туру, то малые по объему участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, сле­довательно, при небольшой нагрузке.

При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать дефор­мацию шарика или скалывание алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Нагрузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов.

У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и проч­ностью этих материалов нет определенной зависимости. Резуль­таты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов.

Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивле­нии вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в изме­рении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тща­тельно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку.

Измеряемая поверхность должна быть установлена горизон­тально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.

Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка ша­рика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шари-ка); по Виккерсу (для деталей малой тол­щины или тонких по-верхностных слоев твердость определяют по диагонали отпе-чатка алмазной пирамиды). Схемы этих методов приведены на рис. 1.2. При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердо-сплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпе­чатка d (рис. 1.2, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:

HB = = .

Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Временное сопротивление и число твердости по Бринел-лю связаны между собой: для стали σ_в = 0,34 HB, для медных сплавов σ_в = 0,45 HB, для алюминиевых сплавов σ_в = 0,35 HB.

а

 

Рис. 1.2. Схема определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу

 

При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому ме­тоду, за условную меру твер-дости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1.2, б. Вначале прикладыва-ется предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдав­ливается на глубину h₀. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁ под действием которой индентор вдавливается на глубину h. После этого сни­мают нагрузку Р₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀ . При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достига­ет уровня h₀. Разность (h - h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность.

Глубина отпечатка измеряется индика­тором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких ме­таллов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или С, или В, обозначающая соответствую­щую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:

Шкала................ А С В

Индентор.......... Алмазный Алмазный Стальной

конус конус шарик

Обозначение

твердости HRA HRC HRB

Нагрузи вдавливания,

кгс (Н): Р_о 10(98,1) 10(98,1) 10(98,1)

P₁ 50(490,5) 140(1373,4) 90(882,9)

Р 60(588,6) 150(1471,5) 100(981)

Различие в нагрузке Р₁ для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивает­ся работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

 

а б

в

Рис. 1.3. Образцы для испытаний на ударную вязкость: а - с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом; в – с Т-образным надрезом

 

Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применя­ют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распро­страненными типами являются образцы с U-образным (рис. 1.3, а), V-образным (рис. 1.3, б) и Т-образным (инициированная трещина) надрезами (рис.1.3, в)

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре. Схема испытаний приведена на рис. 1.4.

 

Рис. 1.4. Схема испытаний на ударную вязкость: 1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

 

Ударная вязкость КС, Дж/см², определяется как отношение рабо­ты разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение удар­ным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного течения образца в месте надреза S_o по формуле:

КС = K / S₀.

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж / м² Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV), если с Т-образным надрезом, то добавляется буква Т (KCT).

Обычно снижение ударной вязкости ниже 40 Дж / м² (3-4 ) значительно увеличивает опасность хрупкого разру-шения, поэтому одним из условий надежной работы материала является значение ударной вязкости KCU≥ 50 Дж /м².

Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладно-ломким металлам можно отне­сти металлы с решеткой объемно-центрированного куба, например Fe_a, и гек­сагональной, напри-мер Zn. Для этой группы металлов при определенной ми­нусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.

К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гранецентрированного куба, например Fe_r, Al, Ni и др.

Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является услов­ным, так как, например, аустенитные стали, име-ющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей сте­пени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегирован­ные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба.

Испытания на ударную вязкость при низких темпера-турах позволяют получить хрупкое разрушение металла в ре-зультате одновременного действия надреза, повышенной ско-рости деформирования и температуры. На рис. 1.5, а пред-ставлено температурное изменение ударной вязкости хладно-лом­кой стали. Как видно из рисунка, снижение ударной вяз-кости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала могут быть хруп­кие и вязкие изломы.

Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладноломкости». Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критиче­ской температурой хрупкости Т_кр. Количественно критическую температу­ру хрупкости можно определить по температуре, соответствующей началу порога хладноломкости (рис. 1.5, а, точка 1), концу порога хладноломкости (рис. 1.5, а, точка 3) и по заданному значению ударной вязкости КС₂ (рис. 1.5, а, точка 2).

а б

Рис. 1.5. Схема низкотемпературного изменения ударной вяз-кости (а) и волокнистости в изломе ударного образца (б)

 

Критическую температуру хрупкости можно определить и дру­гим способом - по характеру строе­ния излома. Вязкий излом имеет во­локнистое, а хрупкий - кристалли­ческое строе-ние. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волок-нистого строения в изломе уменьшается, а кристаллического – увеличивается. Изменение доли во­локнистого строения при температу­рах хладноломкости также имеет вид порога. За критическую темпе­ратуру хрупкости принимают тем­пературу, соответствующую равным долям волокнистого и кристалл-лического изломов. На рис. 1.5, б доля волокнистого излома обозначена через В и оценивается в процентах. Для определения Т_кр на пороге хладноломкости находят точку, соответствующую В = 50%, опускают перпендикуляр на ось температур и находят Т_кр .

Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твердость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по величине измеренной деформации оценивают твердость. При испытании на растяжение определяют прочность σ_z(МПа), относительное удлинение в момент разрыва ε _z (%) и остаточное относитель­ное удлинение θ_z(%). Величина Z = -произведение упругости, ха­рактеризует прочность и эластичность.

В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, озон, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойст­ва - стареют. Старение резин оценивают коэффициентом старения К_стар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70 °С в течение 144 ч, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет:

К _стар = ,

где Z, и Z₂ - произведение упругости резины до и после старения.

Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости t_хр , при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке разрушается хрупко.

Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент К_м , равный отношению удлинения (δ_м ) образца при температуре замораживания к удлинению (δ₀ ) при комнатной температуре:

К_м = .

Испытания долговечности

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытыва­ют во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл на­пряжения - совокупность изменения напря-жений между двумя его пре­дельными значениями σ_max и σ _min в течение периода Т. При экспери­ментальном исследовании соп-ротивления усталости материала за основ­ной принят синусо-идальный цикл изменения напряжения (рис. 1.6.). Он харак-теризуется коэффициентом асимметрии цикла R = σ _min / σ_max; ам­плитудой напряжения σ_a = (σ _max - σ _min) / 2; средним напряжением цикла σ _m = (σ _max + σ _min)/2.

 

Рис. 1.6. Синусоидальный цикл изменения напряжений

 

Различают симметричные циклы (R = -1) и асим-метричные (R из­меняется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под дей­ствием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, обра­зованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Усталостью металла называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Уста­лостное разрушение происходит, например, у пружин автомати­ки, деталей кулачковых механизмов, и т.д., работающих в ре­жимах «нагружение - разгрузка», «растяжение - сжатие»; при многократном повторении ударных или плавно возрастающих нагрузок. У валов, передающих крутящий момент, материал ко­торых испытывает изгиб с вращением, происходит многократ­ное изменение знака напряжений (растяжение - сжатие) и т.д. Около 80% всех разрушений носят усталостный характер. Усталостное разрушение имеет ряд характерных признаков. Устало­стный излом (рис. 1.7) состоит из зоны с ровной и блестящей поверхностью, которая включает в себя: место зарождения разрушения и зону стабильного развития трещины (1); участок раз­вития трещины (З); связанный с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки) и отра­жающие последовательное положение растущей тре­щины (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Излом усталости: 1 – зона очага разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки

 

Характерно, что ус­талостное разрушение раз­вивается в деталях, рабо­тающих при напряжениях, меньших предела текучести металла. Образование уста­лостной трещины связано с реальным строением метал­лов - наличием различно ориентированных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.

Трещины являются сильными концентраторами напря­жений, и из них образуются микротрещины, далее соединяю­щиеся в общую усталостную микротрещину, постепенно рас­пространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в ре­зультате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения.

Таким образом, усталость - процесс постепенного нако­пления повреждения металла под действием повторных переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению.

Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается σ_-1

Методика проведения испытаний материалов на усталость регламенти­рована ГОСТ 25.502 - 79. Для определения предела выносливости испыты­вают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По ре­зультатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение - число циклов (рис. 1.8.).

Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 10⁷ циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 10⁸ циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению σ_max, является физическим пределом выносливости.

Предел выносливости, т.е. сопротивление усталостному разрушению, резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными образцами шлифованные имеют σ_-1 на 10 - 15%, а фрезерованные на 45 – 50% ниже.

 

 

Рис. 1.8. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости

 

Термической усталостью называют усталость металлов, вы­званную напряжениями от циклических колебаний температуры. Термическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.

В холодильной и криогенной технике температурные гради­енты и соответствующие термические напряжения могут возни­кать из-за нагрева или охлаждения конструкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных продуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны различием теплофизических свойств, входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевременного разрушения детали.

Многие детали должны работать под нагрузкой в течение дли­тельного времени при определенной температуре. При этом про­исходит медленная пластическая деформация металла под дейст­вием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текуче­сти материала детали при данной температуре. Такая деформация называется ползучестью.

Различают ползучесть при высоких и низких темпе-ратурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползу-честь. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противопо­ложных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате наг-рева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффу­зионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высо­ких температурах ползучесть происходит в ре-зультате диффузи­онных процессов, то при низких температурах она осуществляет­ся за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивизированную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.

Основными критериями жаропроч­ности металлов являются предел дли­тельной прочности и предел ползу­чести.

Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной темпера-туре за определенное время, соответствующее условиям экс-плуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают σ , где индексы t и τ обозначают температуру и время испы-таний: например, σ = 300 МПа означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 200 ч при 700 °С составляет 300 МПа.

Кривая ползучести состоит из четырех участков (рис. 1.9). Участок ОА соответствует упругой и пластической дефор-мации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характе­ризует неустановившуюся ползучесть, где металл дефор-мируется с неравномерной скоростью, участок ВС – установив-шуюся пол­зучесть и участок CD - ускоренное разрушение, связанное с обра­зованием шейки.

а б

Рис. 1.9. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)

 

Пределом ползучести называют напряжение, вызы-вающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной температуре. Предел ползучести обозначают σ , где t - температура, δ - суммарное удлинение, τ - время. Например, σ ⁼ 350 МПа означает, что предел ползучести металла при1 %-й деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400°С составляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползу­чести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 10⁴ ч или за 10⁵ ч.

Таблица 1.1.

 

Обозначения основных механических свойств по отечественным

и зарубежным стандартам

Свойства	Обозначение, стандарт	Определение
отечест- венный	зару- бежный
Модуль упругости (elastic modulus)	Е	Е	Отношение приращения напряжения к соответ-ствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации
Предел текучести физический	σ	Re	Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке
Предел текучести условный (yield strength)	σ 0,2	Rp0.2	Напряжение для мате-риалов, не имеющих площадки текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2% первоначальной длины
Временное сопротивление, или предел прочности (tensile strength)	σв	Rm	Напряжение, соответ-ствующее наибольшей нагрузке, предшеству-ющей разрушению образца
Относительное удлинение (specific elongation)	δ	А5,А10	Отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, %
Относительное сужение (reduction of area)	Ψ	Z	Отношение разности первоначального сече-ния и минимальной площади поперечного сечения образца после разрушения к первона-чальной площади, %
Предел ползучести (creep limit)	σ	R	Пример: напряжение, которое вызывает де-формацию 0,2% за 100 ч при 700°С
Предел длительной прочности (stress-rupture strength)	σ	R	Пример: напряжение, вызывающее разруше-ние металла за 1000 ч испытаний при постоян-ной температуре 700°С
Предел выносливости (fatigue strength)	σR	σк, τк	Максимальное напря-жение, которое вы-держивает материал не разрушаясь при дос-таточно большом числе повторно – переменных нагружений (циклов)

Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низ­ких температурах, предусматривают их длительную безаварий­ную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криоген­ных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энер­гии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значи-тельному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких темпе­ратур эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупко­го разрушения. При низкотемпературных испытаниях ползучести необходи­мая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение переда­ется на образец через верхний или нижний захват испытательной машины.

В табл. 1.1. приведены отечественные и зарубежные обозначе­ния основных механических свойств и их наименования на рус­ском и английском языке.

Изнашивание металлов

При трибологических испытаниях (испытаниях на износ, из­носостойкость) основными понятиями являются изнашивание, из­нос и износостойкость.

Изнашиванием называется процесс постепенного измене-ния размеров, формы или состояния поверхности образца или детали вследствие разрушения поверхностного слоя в процессе трения.

Износ - результат изнашивания, определяемый с по-мощью количественной оценки процесса изнашивания.

И зносостойкость (wear resistance) - способность мате-риалов или деталей сопротивляться изнашиванию в условиях внешнего трения.

К механическому изнашиванию относят абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитацонное и усталостное изнашивание.

Абразивное изнашивание материала происходит в ре­зультате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивные частицы - это частицы пыли, песка, грязи. Они попадают между контактирующими поверхностями со смазкой или из воздуха, а также могут появиться в результате развития других видов изнашивания. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строи­тельных, дорожных, и других машин, ра­ботающих в средах, содержащих абразивные частицы. Скорость изнашивания высока: 0,1- 100 мкм/год.

Изнашивание, происходящее в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости, назы­вают гидроабразивным изнашиванием. Оно характерно для ме­шалок и импеллеров реакторов, колес и корпусов насосов, шнеков и т.д.

Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (в дымоходах), то вызываемое им изнашивание называют газоаб­разивным изнашиванием.

Эрозионное изнашивание происходит в результате воз­действия потока жидкости или газа на поверхность.

Под кавитационным изнашиванием понимают изнаши­вание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. В условиях кавитации рабо­тают гребные винты, гидротурбины, трубопроводы, детали ма­шин, подвергающиеся водяному охлаждению.

При образовании продуктов химического взаимодейст­вия металла со средой возникает коррозионно-механическое из­нашивание. При длительном трении сопряженных поверхностей в случае нормального износа окислительное изнашивание на­блюдается в подшипниках скольжения, валах, втулках, поршне­вых колесах и т.д.

В результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных и атомных сил наступает изнаши­вание, получившее название молекулярно-механического. К нему следует отнести изнашивание при заедании. Это результат схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникаю­щих неровностей на сопряженную поверхность. Такие повреж­дения возникают там, где между поверхностями контакта исче­зают разделяющие их смазочные слои, адсорбированные пленки жира, влаги, газов, оксидные пленки и др. Тогда эти поверхно­сти под действием нагрузки сближаются на расстояние меж­атомного взаимодействия.

Изнашивание при заедании наблюдается на зубчатых ко­лесах, подшипниках скольжения и т.д.

Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или уменьшения износа поверхностей. Смазка предотвращает схватывание при трении и обеспечивает хорошую прирабатываемость.

Для многих сталей с повышением твердости относитель­ная износостойкость возрастает. Повышение износостойкости стали достигается химико-термической обработкой, упрочнени­ем поверхности путем механического наклепа или наплавки, об­разованием промежуточных пленок, предотвращающих непо­средственный металлический контакт (фосфатирование, суль-фацианирование и др.). Износостойкость изделия зависит как от свойств материала, так и от условий трения.

Физико-химические свойства материалов

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопро-водность, тепловое расширение, электро­проводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключи­тельной ценности - ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомной связи и хими­ческим составом материалов, температурой и давлением. Для большин­ства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Прибли­женно они характеризуются соответствующими температурными коэф­фициентами. Например, удельное электросопротивление ρ при нагреве на ∆Т определяется зависимостью:

ρ_т = ρ₀ ∙ (1 + β∙∆Т),

где ρ₀, ρ_т - удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ∆Т; β - температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.

Плотность существенно зависит от типа межатомной связи. Макси­мальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлически­ми или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределя­ет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см³ у осмия до 0,534 г/см³ у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими — уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями. Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и дру­гих пористых материалов она является одним из критериев качества. По­ристость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного маши­ностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.

Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности σ_B / γ∙g и удельной жесткости E / γ∙g. По этим характеристикам первое место зани­мают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.

При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового рас­ширения.

Тепловое расширение - это изменение объема (линейных размеров) тела при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несим-метричность тепловых колебаний ато­мов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние меж­атомные расстояния.

Для практических целей пользуются средними значениями коэффи­циентов объемного и линейного α_ℓ расширения:

α_v = ; α_ℓ = ,

где V,ℓ - объем и длина образца соответственно; ∆V, ∆ℓ - изменения объема и длины при повышении температуры на ∆T.

В общем случае:

β = α₁ + α₂ + α₃,

где α₁; α₂ и α₃ - соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла.

Различие значений коэффициента теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений. Согласование значений α при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Получаемые спаи отличаются простой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовления аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуатации машин и приборов в изменяющихся температурных полях.

Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и под­чиняется закону Фурье:

q = - λgradT,

где q - плотность теплового потока, Дж/м²∙с; λ - теплопроводность, Вт/(м∙К).

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.

Механизм передачи теплоты в первую очередь определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи - фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концен­трации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеива­ют фононы и увеличивают электросопротивление.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом - основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной струк­туры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Теплопроводность пористых керамических и металлических материалов независимо от типа межатомной связи и можно оценить по формуле:

λ _пор ≈ λ (1 - р),

где λ - теплопроводность беспористого материала, Вт/(м∙К); р - доля пор в объеме пористого материала.

Теплоемкость - это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость - количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. У большинства металлов теплоемкость составляет 300 - 400 Дж / (кг ∙ К) и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.

Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж / (кг ∙ К) и более.