Механические свойства материалов и их характеристики

Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию приложенных к ним нагрузок, а механические характеристики выражают эти свойства количественно. Основными свойствами металлических материалов являются; прочность, пластичность (или вязкость), твердость, ударная вязкость, износоустойчивость, ползучесть и др.
Механические характеристики материалов определяются при механических испытаниях, которые в зависимости от характера действия нагрузки во времени делятся на статические, динамические и повторно-переменные.
В зависимости от способа приложения внешних сил (нагрузок) различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударный изгиб и т. п.
Основные механические характеристики металлов и сплавов.
Временное сопротивление (предел прочности, предел прочности при растяжении— условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Истинное сопротивление разрыву (действительное напряжение) — напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва.
Предел текучести (физический) — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел текучести (условный) — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики. Предел пропорциональности (условный)— напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации (в рассматриваемой точке), с осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке. Допускается увеличение тангенса угла наклона на 10 или 25%.
Предел упругости— условное напряжение, соответствующее появлению остаточной деформации. Допускается определение предела упругости с допусками до 0,005%, тогда соответственно будет обозначаться.
Относительное удлинение после разрыва— отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Различают относительные удлинения, полученные при испытании на образцах с пятикратным и десятикратным отношением длины к диаметру. Допускаются и другие отношения, например 2,5, при испытании отливок.
Относительное сужение после разрыва — отношение площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения.
Указанные характеристики механических свойств определяются при испытании материалов на растяжение по методам, изложенным в ГОСТ 1497—61, на цилиндрических и плоских образцах, формы и размеры которых установлены тем же стандартом. Испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200°С) установлены ГОСТ 9651—73, на дли-тельную прочность— ГОСТ 10145—62.
Модуль нормальной упругости— отношение напряжения к соответствующему ему относительному удлинению при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций (закон Гука).
Ударная вязкость— механическая характеристика вязкости металла — определяется работой, расходуемой для ударного излома на маятниковом копре образца данного типа и отнесенной к рабочей площади поперечного сечения образца в месте надреза. Испытания при нормальной температуре проводятся по ГОСТ 9454—60, при пониженных — по ГОСТ 9455—60 и при повышенных — по ГОСТ 9656—61.
Предел выносливости (усталости) —максимальное напряжение, при котором материалы образца выдерживают без разрушения заданное количество симметричных циклов (от +Р до — Р), принимаемое за базу. Количество циклов задается техническими условиями и представляет большое число. Методы испытания металлов на выносливость регламентируются по ГОСТ 2860—65.
Предел прочности при сжатии — отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания.
Условный предел ползучести— напряжение, вызывающее заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) за установленный промежуток времени при заданной температуре.
Твердость по Бринелю - определяется на твердомере ТШ путем вдавливания стального закаленного шарика р. испытуемый металл или сплав.
Твердость по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется вдавливанием в металл стального шарика диаметром ~ 1,6мм или конуса.(алмазно или твердосплавного) с утлом при вершине 120° на твердомере ТК. В зависимости от условий определения, которые стандартизованы ГОСТ 9013—68, различают три значения HR: HRA — для очень твердых материалов (шкала А) — испытание производится вдавливанием алмазного конуса; HRB — для мягкой стали (шкала В) — стального шарика; HRC — для закаленной стали (шкала С) — твердосплавного или алмазного конуса.
Глубина проникновения алмазного конуса при испытаниях в металле небольшая, что позволяет испытывать более тонкие изделия, чем при определении твердости по Бринелю, Твердость но Роквеллу является условной характеристикой, значение которой отсчитывается по шкале прибора.
Твердость по Виккерсу HV определяется вдавливанием алмазной стандартной правильной четырехгранной пирамиды. Определение числа твердости производится путем измерения длины диагоналей (среднее арифметическое суммы двух диагоналей) и пересчета по формуле
Стандартными нагрузками в зависимости от толщины образца приняты 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Выдержка времени под нагрузкой берется для черных металлов 10—15 секунд, для цветных — 28—32. Соответственно символ HV 10/30-500 означает: 500 — число твердости; 10 — нагрузку и 30 — время выдержки.
Метод Виккерса применяется для измерений твердости деталей малых сечений и твердых тонких поверхностных слоев цементированных, азотированных или цианированных изделий.

49.Вторичная кристаллизация металлов Вторичная кристаллизация имеет большое практическое значение и служит основой для ряда процессов термической обработки, старения и т. д., значительно изменяющих и улучшающих свойства сплавов. Большинство процессов вторичной кристаллизации связано с диффузией. Диффузия в твердых сплавах возможна по ряду причин. В частности, в растворах замещения она протекает бла-годаря наличию незаполненных узлов (вакансий) в решетках. Перемещаться могут как атомы растворителя, так и атомы растворенного вещества. При образовании растворов внедрения перемещение растворенных атомов происходит через междоузлия решеток.Диффузия протекает тем быстрее, чем больше разность концентр;.в п выше температура.I (од к о а г у л я ц и е й понимают рост крупных кристаллов за счет мелких; под с ф е р о и д и з а ц и е й — превращение вытянутых кристаллов в округленные. Оба процесса протекают вследствие стремления системы к уменьшению свободной энергии. В данном случае ЭТО достигается потому, что отношения суммы

поверхностей зерен к их объемам становятся меньше. Коагуляция и сфероидизация протекают тем легче, чем выше температура. На рис. 41 представлена диаграмма состояния сплава, в котором растворимость второго компонента в твердом растворе уменьшается. На этой диаграмме (в отличие от диаграммы рис. 39) появляется линия EQ, характеризующая выделение избыточных кристаллов компонента В, которые называются вторичными (В2), в отличие от первичных кристаллов (В\), которые выделяются по линии CD. Для примера рассмотрим ход образования вторичных кристаллов при охлаждении твердых растворов а с концентрацией К. При температуре t\ структура однофазна, при достижении линии EQ раствор становится насыщенным и по мере дальнейшего охлаждения из него выделяется избыточная фаза В2, последняя может выделяться по границам кристаллов а и принимать вид сетки. Здесь также сначала происходит образование зародышей и затем их рост Однако место появления зародышей и их рост заранее определено поверхностями первичных зерен. Иногда расположение вторичной фазы в виде сетки нежелательно, тогда или предупреждают ее образован не, или устраняют. Устраняют сетку по-разному, например, сфероидизирую-щим отжигом. Кристаллизация по диаграмме (рис. 41) дает возможность значительно изменять свойства сплава путем закалки и отпуска или путем старения.

50.ДС сплавов с неограниченной растворимостью компонентов Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях ине образуют химических соединений.

Компоненты: А, В.

Фазы: L, α.

Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз — жидкого раствора Lи твердого раствора α. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.

Диаграмма, изображенная на рис. 1, состоит из трех областей: жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.

Линия АmВ является линией ликвидус, а линия АnВ — линией солидус. Процесскристаллизации изображается кривой охлаждениясплава (рис. 2).

Точка 1 соответствует началу кристаллизации, точка 2 — концу. Между точками 1 и 2 (т. е. между линиямиликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (с = k—f+1 = 2 — 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрациякомпонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. концентрация и количество фаз у сплава, лежащего между линиямисолидус и ликвидус, определяются правилом отрезков. Так, сплав К в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а Состав твердой фазы — проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.

Во всем интервалекристаллизации (от точки 1до точки 2) из жидкого сплава,

имеющего исходную концентрацию К,выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. Закончиться кристаллизациясплава К должна в точке 2, когда последняя капля жидкости, имеющая Состав l, затвердеет. Отрезок, показывающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке /, когда только началась кристаллизация, и количеству всего сплава в точке 2, когда кристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 — l, а Составкристаллов — по кривой s — 2, и в момент окончания кристаллизацииСоставкристаллов такой же, как и Состав исходной жидкости.

51.Температурные свойства материалов Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры. Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала. По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости.

Теплостойкость - температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.
Термостойкость - температура, при которой происходят химические изменения материала.
Морозостойкость - способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин).
Горючесть - способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению Это различные степени горючести. Все эти понятия определяют характерные температуры, при которых меняется какое-либо свойство материала. Есть некоторые температуры, характерные для всех материалов, есть температуры, специфичные для некоторых электротехнических материалов. при которых резко меняются какие-либо характеристики. Большинству материалов присущи точки плавления, кипения. Точка плавления - температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое. Не обладает точкой плавления жидкий гелий, он даже при нуле Кельвина остается жидким. К наиболее тугоплавким можно отнести вольфрам - 3387 °С, молибден 2622 °С, рений - 3180 °С, тантал - 3000°С. Есть тугоплавкие вещества среди керамик: карбид гафния HfC и карбид тантала TaC имеют точки плавления 2880 °С., нитрид и карбид титана - более 3000 °С. Есть материалы, в основном это термопластичные полимеры, которые обладают точкой размягчения, но до плавления дело не доходит, т.к. начинается разрушение полимерных молекул при повышенных температурах. У термореактивных полимеров даже до размягчения дело не доходит, материал раньше начинает разлагаться. Есть сплавы и другие сложные вещества у которых сложный процесс плавления: при некоторой температуре, называемой «солидус» происходит частичное расплавление, т.е. переход части вещества в жидкое состояние. Остальное вещество находится в твердом состоянии. Получается что-то типа кашицы. По мере повышения температуры все большая часть переходит в жидкое состояние, наконец при некоторой температуре, называемой «ликвидус» произойдет полное расплавление вещества. Например сплав олова и свинца для пайки, называемый попросту «припой», начинает плавиться примерно при 180 °С (точка солидус), а расплавляется примерно при 230 °С (точка ликвидус).

В любых процессах плавления, достижение определенной точки является необходимым, но недостаточным условием плавления. Для того, чтобы расплавить вещество нужно сообщить ему энергию, которая называется теплотой плавления. Она рассчитывается на один грамм (или на одну молекулу). Точка кипения - температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное. Кипят практически все простые вещества, не кипят сложные органические соединения, они разлагаются при более низких температурах, не доходя до кипения. На точку кипения оказывает значительное влияние давление. Так, например для воды можно сдвинуть точку кипения от 100 °С до 373°С приложением давления в 225 атм. Кипение растворов, т.е. взаимно растворимых друг в друге веществ происходит сложным образом, кипят сразу два компонента, только в паре одного вещества больше, чем другого. Например слабый раствор спирта в воде выкипает так, что в паре спирта больше чем в воде. За счет этого работает перегонка и после конденсации пара получается спирт, но обогащенный водой. Есть смеси выкипающие одновременно, например 96% спирт. Здесь при кипении состав жидкости и состав пара одинаковы. После конденсации пара получается спирт точно такого же состава. Такие смеси называются азеотропными. Есть температуры специфичные для электротехнических материалов. Например для сегнетоэлектриков вводят т.н. точку Кюри. Оказывается, что сегнетоэлектрическое состояние вещества возникает только при пониженных температурах. Существует такая температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой домены не могут существовать и он превращается в параэлектрик. Такая температура называется точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость ниже точки Кюри велика, она слабо нарастает по мере подхода к точке Кюри. После достижения этой точки диэлектрическая проницаемость резко падает. Например, для наиболее распространенного сегнетоэлектрика: титаната бария, точка Кюри 120 °С, для цирконат-титаната свинца 270 °С, для некоторых органических сегнетоэлектриков температура Кюри отрицательна. Аналогичная температура (и тоже называется точка Кюри) имеется для ферромагнетиков. Поведение магнитной проницаемости подобно поведению диэлектрической проницаемости по мере повышения температуры и подхода к точке Кюри. Единственное отличие - падение магнитной проницаемости с ростом температуры происходит более резко после достижения точки Кюри. Значения точки Кюри для некоторых материалов: железо 770 °С, кобальт 1330°С, эрбий и гольмий (-253°С), керамика - в широком диапазоне температур. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется точкой Нееля.