Материаловеденье

Рис. 1.1 Статические испытания на растяжение:

а и б – стандартные образцы для испытания на растяжение;

в – диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

Усилия, соответствующие основным точкам диаграм­мы растяжения, позволяют установить следующие харак­теристики сопротивления металла деформации, выра­женные в мегапаскалях, МПа:

      предел пропорциональности пц —наибольшее напря­жение, до которого сохраняется прямая пропорциональ­ность между напряжением и деформацией:

      предел упругости уп — напряжение, при котором пла­стические деформации впервые достигают некоторой малой величины, характеризуемой определенным допу­ском (обычно 0,05 % ):

      предел текучести т— напряжение, начиная с которого деформация образца происходит почти без дальнейшего увеличения нагрузки:

Если площадка текучести по диаграмме растяжения данного материала отсутствует, то определяется условный предел текучести 0,2 — напряжение, вызывающее плас­тическую деформацию, равную 0,2 % ;

      предел прочности (временное сопротивление) в — на­пряжение, которое равно отношению наибольшей нагруз­ки, предшествующей разрушению образца, к первоначаль­ной площади его сечения:

Предел прочности является обязательной характери­стикой в стандартах марок стали.

Кроме указанных показателей при статическом ра­стяжении определяют характеристики пластичности металлов.

Показатели пластичности металлов — относительное удлинение и относительное сужение рассчитывают по результатам замеров образца до и после испытания.

Относительное удлинение  рассчитывается как отно­шение прироста длины образца после разрыва к его пер­воначальной расчетной длине, выраженное в процентах:

где l1 - длина образца после разрыва, мм; l 0 - расчет-(начальная) длина образца.

Относительное сужение  определяется отношением уменьшения площади поперечного сечения образца пос­те разрыва к первоначальной площади его поперечного течения, выраженным в процентах,

здесь F0 — начальная площадь поперечного сечения образца; F1 - площадь поперечного сечения образца в ме­сте разрушения.

Методы определения твердости. Определение твер­дости получило широкое применение в производствен­ных условиях, представляя собой наиболее простой и быстрый способ определения механических свойств. Так как для измерения твердости испытывают поверхност­ные слои металла, то для получения правильного резуль­тата поверхность металла не должна иметь наружных Дефектов (трещин, крупных царапин и т. д.).

Существуют различные способы измерения твердости. Ниже приведены наиболее распространенные из них.

Измерение твердости методом Бринелля. Сущность это­го способа заключается в том, что в поверхность испытуе­мого металла вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5 или 10 мм под действием нагрузки со­ответственно 1,87; 7,5 и 30 кН. На поверхности образца остается отпечаток (рис. 1.2, а), по диаметру которого определяют твердость. Диаметр отпечатка измеряют спе­циальной лупой с делениями. На практике пользуются специальными таблицами, которые дают перевод диамет­ра отпечатка в число твердости, обозначаемое НВ. Этот способ применяют главным образом для измерения твер­дости незакаленных металлов и сплавов: проката, поко­вок, отливок и др.

Рис.1.2. Измерение твердости методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в).

По твердости, измеренной этим методом, можно су­дить о прочности при растяжении, так как между твердо­стью и прочностью существует следующая зависимость: ув = (0,34-0,36)НВ для стальных поковок и проката; ув = (0,3-0,4) НВ для стального литья; ув = 0,12 НВ для серого чугуна. Таким образом, твердость может служить характеристикой прочностных свойств сплава.

Измерение твердости методом Роквелла. Измерение осуществляют путем вдавливания в испытуемый металл стального шарика диаметром 1,588 мм или конусного ал­мазного наконечника с углом при вершине 120° (рис. 1.2, б). В отличие от метода Бринелля твердость по Роквеллу определяют не по диаметру отпечатка, а по глубине вдавливания шарика или конуса.

Вдавливание производится под действием двух по­следовательно приложенных нагрузок — предваритель­ной, равной 98,1 Н, и окончательной (общей) нагрузки, равной 981,588,6,1471,5 Н. Твердость определяют по раз­ности глубин вдавливания отпечатков. Для испытания твердых металлов необходима нагрузка 1471,5 Н, а вдав­ливание стальным шариком нагрузкой 981 Н производят для определения твердости незакаленной стали, бронзы, ( латуни и других мягких материалов. Испытание сверх-1 твердых материалов производят алмазным наконечни­ком нагрузкой 588,6 Н. Глубина вдавливания измеряется автоматически, а твердость после измерения отсчитыва­ется по трем шкалам: А, В, С. Твердость (число твердо­сти) по Роквеллу обозначается следующим образом:

Определение твердости по Роквеллу имеет широкое применение, так как дает возможность испытывать мяг­кие и твердые металлы; размер отпечатков очень незначителен, поэтому можно испытывать готовые детали без их порчи.

Измерение твердости методом Виккерса. Этот метод по­зволяет измерять твердость как мягких, так и очень твер­дых металлов и сплавов. Он пригоден для определения твердости очень тонких поверхностных слоев (толщи­ной до 0,3 мм). В этом случае в испытуемый образец вдав­ливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136° (рис, 1.2, в). При таких испытаниях мож­но применять нагрузки от 50 до 1200 Н. Измерение отпе­чатка производят по длине диагонали отпечатка рассмат­риваемого под микроскопом, входящим в прибор для определения твердости. Число твердости по Виккерсу обозначают НV, его находят по формуле:

где Р — нагрузка, Н; d — длина диагонали отпечатка, мм.

На практике число твердости НV находят по таблицам. Кроме указанных методов измерения твердости суще­ствуют способы определения микротвердости микроско­пически малых объемов металла.

В настоящее время разработан прогрессивный способ определения твердости с помощью ультразвука. На рис. 1.3 представлена схема ультразвукового твердомера. Он со­стоит из преобразователя 1, волновода 2 с индикатором 3, на конце которого имеется алмазный наконечник, регистрирующего устройства 4 и генератора 5. Наконеч­ник вдавливается с незначительной фиксированной на­грузкой. Он соединен со стержнем, колеблющимся с резо­нансной частотой. Эта частота изменяется в зависимости от размера отпечатка алмазного наконечника и характери­зует твердость материала. Размер отпечатка незначитель­ный, его не следует определять под микроскопом, как в приборе Виккерса и при измерении микротвердости, незначительно повреждается поверхность, процесс изме­рения твердости может быть автоматизирован.

Рис . 1.3 Схема устройства ультразвукового твердомера

Кристаллическое строение металлов и сплавов

Металлы — это   вещества,    обладающие рядом общих свойств. К этим свойствам относятся:

• высокие тепло- и электропроводность;

• положительный температурный коэффициент электросопро­тивления (с повышением температуры электросопротивление ме­таллов возрастает);

• повышенная способность к пластической деформации;

• хорошая отражательная способность, металлический блеск.

Перечисленные свойства характерны не только для чистых ме­таллов, но и для металлических сплавов, т. е. веществ, в состав которых помимо основного металла входят и другие элементы.

Отмеченные свойства обусловлены электронным строением ме­таллических материалов. В металлах электроны, находящиеся на внешних энергетических уровнях, слабо связаны с ядром атома. Они находятся в относительно свободном состоянии, образуя элек­тронный газ. Такие электроны называют электронами проводимо­сти или коллективизированными электронами, поскольку они при­надлежат не какому-то конкретному атому, а являются общими для всех атомов. Они свободно перемещаются между положительно за­ряженными ионами. Электронный газ компенсирует силы взаимно­го отталкивания положительных ионов, обеспечивая их связь в твердом теле. Такой тип связи не является направленным и харак­теризуется высокой энергией.

Металлический тип связи позволяет объяснить основные свой­ства металлов. Высокая электропроводность объясняется наличием свободных электронов, упорядоченное движение которых во внеш­нем электрическом поле обеспечивает протекание электрического тока. Высокая теплопроводность обусловлена большой подвижно­стью свободных электронов. Повышенная способность к пластиче­ской деформации объясняется отсутствием направленности метал­лической связи.

АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Все металлы и металлические сплавы, полученные обычными способами, представляют собой поликристаллические тела, состоящие из различно ориентированных по отношению друг к другу кристаллов. Эти кристаллы, вследствие взаимного столкновения в процессе кристаллизации, имеют неправильную форму и называются кристаллитами или зернами. На кристалличность металлов - самородных меди и золота - и сходство их кристаллов с кристаллами солей обратил внимание в шестидесятых годах 18‑го столетия гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов. Понятие о кристалличности металлов и сплавов легло в основу современного научного объяснения их прочностных и пластических свойств. Атомы (ионы) в кристаллах расположены закономерно.

При особых условиях металлы и сплавы могут быть получены в аморфном состоянии. Атомы в аморфных телах расположены хаотично.

Все металлы и сплавы условно подразделяют на две группы. Железо и сплавы на его основе, т.е. сталь и чугун, называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными.

Атомы в кристалле, располагаясь в определенном порядке, образуют кристаллическую решетку. Эта решетка представляет собою воображаемую пространственную сетку, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы, а между ними - свободные электроны, получившие название электронного газа.

Расположение атомов в кристалле обычно изображают в виде пространственных так называемых элементарных кристаллических ячеек, перемещением которых можно воспроизвести пространственную кристаллическую решетку. Структуру кристалла можно представить себе как бесконечные симметричные ряды, сетки и решетки из периодически чередующихся частиц. В реальных кристаллах закономерное чередование частиц всегда немного нарушено из-за их теплового движения, возбуждения и ряда других причин. Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы). Минимальный объем, многократное повторение которого в пространстве образует кристаллическую решетку, называется эле­ментарной кристаллической ячейкой. На рис.2.1 представлена кри­сталлическая решетка, жирными линиями обведена элементарная кристаллическая ячейка. Кристаллические решетки получают на­звание в зависимости от типа элементарной кристаллической ячей­ки.

Рис. 2.1. Кристаллическая решетка

В настоящее время изучены структуры примерно двадцати тысяч кристаллических веществ.

Существует 6 различных сингоний (1 подсингония) кристаллов. Они разделены на три категории:

Синго́ния (от греч. σύν, «согласно, вместе», и γωνία, «угол» — дословно «сходноугольность») — одно из подразделений кристаллов по признаку симметрии их элементарной ячейки при одинаковых системах координатных осей. Сингония характеризует симметрию трехмерных структур с трансляционной симметрией в трех направлениях.

   Низшая категория - a≠b≠c

1.      Триклинная -наименее симметричная примитивная ячейка, оси координат выбираются по направлению трансляций, нет осей симметрии, кроме инверсионной;

2.      Моноклинная  - имеет одну ось симметрии 2-го порядка (зеркально-поворотная), или зеркальную плоскость симметрии;

3.      Ромбическая  - имеет три зеркально-поворотных оси 2-го порядка, или три зеркальные плоскости симметрии, или одну ось 2-го порядка и две зеркальные плоскости;

   Средняя категория - структура обладает одним выделенным направлением порядком больше двух

1.      Тетрагональная  - имеет одну ось симметри 4-го порядка;

2.      Тригональная подсингония, также называет ромбоэдрическая — имеет одну ось 3-го порядка;

3.      Гексагональная - имеет одну ось 6-го порядка;

   Высшая категория — в структуре несколько выделенных направлений порядком больше двух

1.      Кубическая, иначе изометрическая — имеет четыре оси 3-го порядка;

Имеется ряд пространственных групп на каждую сингонию 2, 13, 59, 68, 25, 27 и 36 соответственно, всего — 230 групп. Они представлены ниже в таблице: