Прочность и структура материалов - Основы оптимизации структуры и механических свойств конструкционных материалов (1)

При изучении данного раздела следует обратить внимание, в первую очередь, на металлические материалы, которые:. Свойства материалов обусловлены составом и структурой основы материала, вредными примесями, легирующими элементами, а также внешними факторам, в частности, температурой, составом среды, полями и облучениями, которые могут повлиять на состав и структуру. Основными внешними факторами, формирующими структуру материалов, являются пластическая деформация и термообработка.

В приборостроении все ответственные детали должны подвергаться термической обработке с целью оптимизации структуры и свойств. Эффективное использование материалов определяется их оптимальным выбором, технологией обработки, рациональным конструированием деталей.

Твердые тела под действием внешних факторов приложенных сил, температуры, времени проявляют следующие механические свойства:. Жесткость - способность материала сопротивляться упругому, то есть обратимому деформированию. Количественной характеристикой жесткости при растяжении или сжатии твердого тела произвольных размеров является коэффициент жесткости k в законе Гука рис. Для оценки жесткости материала, не зависящей от геометрических параметров образцов, принимается жесткость образца единичной площади и единичной длины, за который можно принять куб с ребром единичной длины.

Кроме модуля нормальной упругости E, отвечающего за одноосное растяжение и сжатие, для описания жесткости материалов в условиях сдвига и кручения используют модуль сдвига G, равный:. Наибольшую жесткость проявляют кристаллы с ковалентной связью C, SiC , ионно-ковалентные с большим зарядом ионов BeO, Al 2 O 3 , тугоплавкие переходные металлы W, Os, Re, Mo, Ta Жесткость ведет себя как анизотропная характеристика кристалла, так как в разных направлениях в кристаллической решетке различны плотность упаковки атомов и жесткость связи.

Изотропность, проявляемая поликристаллами, обусловлена хаотичностью ориентации отдельных зерен. За счет появления дефектов возможно как небольшое снижение, так и увеличение жесткости материалов, поэтому жесткость считается свойством, мало зависящим от дефектности структуры.

Некоторого увеличения жесткости поликристаллов можно добиться, создавая анизотропию за счет преимущественной ориентации зерен. Нагрев, в общем случае, приводит к снижению модулей упругости, так как способствует ослаблению межатомного взаимодействия за счет теплового расширения. В некоторых сплавах, в частности в системе Ni-Ti, наблюдается эффект памяти формы - восстановление первоначально заданной формы тела, измененной пластической деформацией. Память формы реализуется при нагреве деформированного тела термоупругий эффект.

Один из механизмов этого явления реализуется в случае, если пластическая деформация в каждом микрообъеме материала осуществляется только за счет двойникования - поворота частей кристалла на определенный угол относительно плоскости, называемой плоскостью двойникования.

При нагреве возможен энергетически оправданный обратный поворот, что и обеспечивает восстановление первоначальной формы. При этом внутреннее усилие F 2, возвращающее тело в исходную форму, в несколько раз больше внешнего усилия деформирования F 1. Возможное появление дислокаций делает деформацию частично необратимой и ухудшает эффект памяти формы.

Схема механизма реализации памяти формы за счет обратимой деформации двойникованием относительно плоскостей двойникования, обозначенных пунктиром, а исходное состояние микрообъема, б деформированное состояние микрообъема, в возврат микрообъема к исходному состоянию. В упругой области деформаций под действием значительных напряжений имеет место увеличение деформации во времени, без увеличения напряжения, называемое несовершенной упругостью.

Деформация, связанная с несовершенной упругостью, обратима, так как после устранения приложенного напряжения постепенно исчезает. Возможны несколько механизмов данной деформации:. Уменьшению деформации несовершенной упругости способствует увеличение однородности и дисперсности структуры материала при обеспечении наиболее возможной энергетической стабилизации.

При этом должны быть минимизированы неконтролируемые остаточные напряжения и концентраторы напряжений, а у дислокаций нежелательно присутствие протяженных участков без точек закреплений. Однако несовершенная упругость может быть и полезной в условиях колебаний деталей, при которых за счет внутреннего трения часть энергии колебаний поглощается, что используют для их демпфирования погашения.

Основы термической обработки ,. Fe , упрочняемые термической обработкой закалка и старение ,. Главными достоинствами медных сплавов по сравнению со сталью являются высокая электропроводность и небольшой модуль упругости, обеспечивающий значительную упругую деформацию при малых напряжениях, что позволяет получать высокочувствительные пружины малых габаритов,. Материалы с особыми физическими свойствами. Пластичность - способность материала пластически, то есть необратимо деформироваться без разрушения.

Пластичность необходима для предотвращения опасности хрупкого разрушения деталей, которая возникает в отсутствие пластической деформации, а также для получения заготовок и готовых деталей методами холодной и горячей обработки давлением. Пластическая деформация реальных кристаллов при температурах до 0,3 Т пл осуществляется в основном за счет движения дислокаций, поэтому высокая пластичность возможна именно в металлических кристаллах с большим числом систем скольжения, так как в них легко зарождаются и скользят дислокации.

Еще одним необходимым условием высокой пластичности является незначительная концентрацией дефектов рис. К таким дефектам относятся примесные атомы внедрения и замещения, образующие вокруг дислокаций скопления атмосферы 2 , другие дислокации 4 , включения химических соединений 3 , встречающиеся в плоскости скольжения 5. Границы зерен также являются эффективным препятствием для дислокаций, однако для реализации высокой пластичности поликристаллов предпочтительна равнозеренная, мелкозернистая структура.

В результате на границах зерен возможно возникновение трещин 4 , существенно снижающих пластичность. Количественными характеристиками пластичности служат максимальное относительное пластическое растяжение d и максимальное относительное сужение y образца при разрыве, полученные из испытаний на растяжение см.

Прочность , а также данные, полученные из технологических проб, в частности, способом сжатия или изгиба. В процессе пластического деформирования и разрушения над материалом совершается работа внешних сил, в результате которой материал поглощает энергию деформирования, аккумулируя ее в потенциальной энергии дефектов, и рассеивая, в первую очередь, в виде тепла.

В зависимости от способности поглощать энергию пластического деформирования различают хрупкое и вязкое состояние материалов. В хрупком состоянии материал деформируется преимущественно упруго, после чего наступает быстрое разрушение, называемое хрупким. Хрупкость - склонность материала к разрушению с минимальной затратой энергии чаще всего за счет развития трещин. В вязком состоянии разрушению предшествует значительная пластическая деформация, поглощающая энергию деформирования.

Вязкость - способность материала поглощать энергию деформирования и разрушения, преобразуя ее в потенциальную энергию дефектов и тепло. Величина поглощенной энергии соответствует работе пластической деформации и разрушения и определяется как прочностью, так и пластичностью материала. Материалы, обладающие высокой прочностью см.

Прочность и пластичностью, имеют высокую вязкость, вследствие большой работы деформации и разрушения. При высокой прочности и малой пластичности также как при низкой прочности и высокой пластичности вязкость будет мала из-за малой работы разрушения. Конструкционный материал ответственного назначения должен обладать необходимой эксплуатационной надежностью способностью сопротивляться хрупкому разрушению , то есть быть достаточно вязким, так как материалы в хрупком состоянии чувствительны к концентраторам напряжений.

Анализ влияния трещины рис. В случае хрупкого состояния вблизи острия трещины практически не происходит пластической деформации и трещина растет под действием даже небольших s, оставаясь острой рис. В вязком состоянии вблизи острия будет развиваться пластическая деформация рис 25 1, б , приводящая к увеличению радиуса трещины. В результате трещина для своего роста требует повышения s и, как следствие, при вязком состоянии материала концентраторы напряжений менее опасны.

Важными механизмами поглощения энергии являются также дополнительные виды моды пластической деформации: Основной количественной характеристикой оценки вязкости материала является ударная вязкость - KCU, KCV, KCT , которая определяется при ударном нагружении стандартного образца с концентратором напряжений U-, V-, T трещино - образной формы рис.

Приведенные характеристики не являются расчетными, а служат для оценки состояния материала. В справочной литературе обычно приводятся значения KCU , суммирующие работу зарождения и роста трещин.

Для оценки влияния температуры на вязкость служит интервал температур вязко-хрупкого перехода t в - t х или температура t 50 , при которой половина площади излома соответствует хрупкому разрушению. Резкий переход от вязкого к хрупкому разрушению порог хладноломкости характерен для материалов с ГПУ- решеткой кроме Ti и ОЦК- решеткой, в частности, для сталей.

С помощью критерия K I C можно рассчитать или длину трещины критического размера l кр при данном среднем напряжении s или напряжение s, при котором длина трещины становится критической, то есть начинает развиваться самопроизвольно. Значение K I C определяется экспериментально при растяжении плоского образца с надрезом и острой усталостной трещиной.

В титановых сплавах охрупчивающими примесями являются примеси внедрения: В алюминиевых сплавах понижение пластичности связано с присутствием примеси железа, образующего хрупкие иглообразные соединения Al 3 Fe и одновременно кремния и железа, соединяющиеся в хрупкие тройные фазы Al-Si-Fe.

В медных сплавах примесями, способствующими охрупчиванию, являются кислород в составе закиси Cu 2 O, висмут, нерастворимый в меди, сера в составе хрупкого соединения Cu 2 S, водород, образующий с кислородом пары воды.

Прочность - способность материала сопротивляться пластическому, то есть необратимому деформированию и разрушению. В реальных твердых телах, особенно металлах, прочностные свойства во многом определяются, как и в случае пластичности, плотностью и подвижностью дислокаций.

Дислокации при своем движении, реализующем пластическую деформацию, испытывают торможение следующими дефектами рис. Основное упрочнение в процессе деформирования объясняется увеличением плотности дислокаций, образующихся в процессе деформации.

В результате получают кривую растяжения, на которой различают несколько предельных значений напряжений пределов s, соответствующих качественному изменению поведения материала. Важнейшей предпосылкой получения для металлических материалов высокопрочного и одновременно вязкого состояния для сравнительно низких температур меньше 0,3 T пл является создание однородной, мелкозернистой и высокодисперсной структуры, где дислокации не закреплены около непреодолимых препятствий, а имеют возможность перемещения, но при больших напряжениях.

Высокой прочности при сохранении вязкости добиваются путем деформационного упрочнения, легирования и термической обработки. Для чистых металлов и многих однофазных твердых растворов единственным методом упрочнения является холодная пластическая деформация.

При этом, применяя пластическую деформацию и последующий нагрев, вызывающий полигонизацию или первичную рекристаллизацию см. Основы термической обработки , нужно добиться однородной, мелкозернистой структуры, а внутри зерен - так называемой ячеистой дислокационной структуры.

Такая структура обеспечивает равнопрочное состояние во всем объеме материала, отличающееся высокой прочностью и достаточным запасом пластичности. Этому способствуют препятствия в виде границ ячеек, проницаемых для движения дислокаций. Упрочнение при легировании подразумевает введение в состав основного компонента элементов, позволяющих создать торможение дислокаций за счет:.

Другой путь получения высокопрочного состояния материалов заключается в использовании высокопрочных малодефектных коротких кристаллов усов или волокон, имеющих прочность близкую к теоретической. Однако непосредственно из них невозможно изготовить даже небольшие детали, поэтому их включают в состав композиционных материалов см. Композиционные материалы в качестве упрочняющего компонента. Такие композиционные материалы обладают высокой прочностью в направлении ориентации усов или волокон, и могут иметь ряд дополнительных улучшенных служебных свойств: В процессе эксплуатации деталей материалы подвергаются действию как постоянных статических так и переменных циклических нагрузок.

При рассмотрении эксплуатационной прочности с учетом действия постоянных и переменных нагрузок используется понятие статической и циклической прочности. Расчет на статическую прочность в случае растяжения или сжатия устанавливает максимально допустимое напряжение [s], возникающее в материале детали с площадью S 0 под действием рабочей нагрузки P р и не вызывающее значительной пластической деформации или разрушения.

Поэтому величина [s] должна быть меньше предела текучести s 0,2 и предела прочности s в материала. В связи с тем, что не всегда точно известно напряженное состояние во всех микрообъемах детали и количественные характеристики прочности имеют некоторый разброс, вводится коэффициент запаса прочности - n.

Наибольшие прочностные свойства материалов, получаемых на основе указанных в таблице компонентов. Циклическая прочность выносливость — способность материала сопротивляться разрушению, возникающему при действии переменных нагрузок за счет появления и развития трещин, называемых усталостными.

При действии переменных нагрузок в поверхностных слоях детали рис. Поверхность излома после усталостного разрушения. Характеристики циклической прочности определяются по результатам испытаний на усталость ГОСТ Образец подвергается действию периодических переменных напряжений от -s min до s max рис. Для конструкционных сталей чаще всего рекомендуется структура повышенной прочности и достаточной вязкости — сорбит дисперсная смесь феррита и цементита см. В такой структуре зарождение трещины на поверхности деталей происходит относительно легко, но скорость роста трещины мала, так как многочисленные барьеры в виде границ зерен или частиц карбидов мешают прямолинейному распространению трещин, а пластическая деформация способствует их притуплению и торможению.

Для пружинных сталей характерна более прочная структура троостита, обладающего пониженной пластичностью. Поэтому важно не допустить возникновения трещин, так как в троостите зародившаяся трещина будет расти быстро. Поверхность изделий из таких сталей подвергается упрочнению с созданием остаточных напряжений сжатия. При этом необходимо добиваться отсутствия концентраторов напряжений. При использовании конструкционных сталей между характеристиками статической и циклической прочности учитывают следующую связь:.

Увеличение сопротивления разрушению конструкций при переменных нагрузках возможно также за счет использования композиционных материалов, где развитие трещины в поперечном сечении детали приостанавливается на границе матрицы с волокном, так как трещина начинает расти вдоль волокна, не уменьшая сечения. К тому же для композитов характерно значительное внутреннее трение, поглощающее часть энергии деформирования, в частности, за счет проскальзывания волокон в матрице см.

Твердость - способность материала сопротивляться локальному воздействию вдавливанию, царапанию более твердых тел индентеров. Твердость является важным свойством, применяемым в инженерной практике и задаваемым в конструкторской документации. Количественные характеристики твердости определяются из испытаний на твердость. Этот метод имеет также применение для измерения микротвердости отдельных фаз при очень малых нагрузках меньше 2 Н ,.

Лекции по Материаловедению и ТКМ - файл Лекция 3.doc

Материалы высокой твердости табл. Они являются основой для создания износостойких и теплостойких режущих инструментов, входят в состав конструкционной керамики, а также в виде частиц второй фазы упрочняют конструкционные материалы. Под действием трения и ударных нагрузок в поверхностных слоях материалов развиваются процессы, вызывающие их постепенное разрушение изнашивание.

Релаксационная стойкость - способность материала сохранять упругодеформированное состояние во времени. В качестве характеристики релаксационной стойкости принимают величину падения напряжения Ds за определенное время от до часов в процессе испытаний при постоянной степени упругой деформации образца. С релаксационной стойкостью связана способность материала сопротивляться малой пластической деформации, для развития которой достаточно незначительного количества мест с неустойчивой структурой.

Примеры материалов, обладающих высокой релаксационной стойкостью, стабильностью формы и размеров при термообработке. Мартенсито-стареющие конструкционные стали после закалки и старения типа Н18К9М5Т см. Под радиационной стойкостью понимают сопротивляемость изменению структуры и состава при облучении частицами высоких энергий нейтронов, протонов, фотонов.

Облучение вызывает образование вакансий, межузельных атомов, дислокаций и других дефектов, что приводит:. Критерием пригодности материала, как конструкционного, является наличие совокупности свойств, которые обеспечат его работоспособность в заданных условиях. Условия работы материала задаются исходя из технических требований к деталям и в целом к изделию. При этом учитываются следующие факторы: Повышение характеристик эксплуатационных свойств материалов возможно в трех направлениях: Под термической обработкой понимают технологический процесс, основанный на изменении температуры материала, цель которого состоит в оптимизации свойств материала за счет модификации его структурно-фазового состояния и изменения химического состава.

Различают собственно термическую ТО , термомеханическую ТМО и химико-термическую ХТО обработки. Отличительной особенностью отжига является то, что все развивающиеся процессы носят диффузионный, неупорядоченный характер и образующиеся структуры близки к энергетически равновесным.

Основные разновидности отжига первого рода - диффузионный гомогенизационный , рекристаллизационный, релаксационный для уменьшения остаточных напряжений. Отжиг производится для устранения неоднородности химического состава в твердых растворах, возникающей при ускоренном охлаждении из жидкого состояния, например, при литье.

Рекристаллизационный отжиг - нагрев холоднодеформированного материала до температур, при которых исчезают нежелательные изменения структуры и свойств, вызванные пластической деформацией, и происходит переход материала в более равновесное состояние. Необходимость рекристаллизационного отжига вызвана тем, что в процессе холодной пластической деформации изменяются в негативном направлении многие физико-химические свойства, например, такие как пластичность, электропроводность, магнитная проницаемость, коррозионная стойкость.

Процесс появления и роста новых зерен называют рекристаллизацией. Свойства материала восстанавливаются до первоначального уровня. Новая зеренная структура с низкой концентрацией дефектов обладает, как правило, изотропностью свойств, высокой пластичностью и малой твердостью, поэтому данная ТО чаще всего используется как предварительная перед холодной обработкой давлением.

Остаточными называются напряжения, существующие в твердом теле в отсутствие внешних воздействий. Их появление возможно за счет неравномерной пластической деформации, неравномерного охлаждения, фазовых превращений и т.

Это недопустимо для точных деталей и упругих элементов, так как в них за счет сложения приложенных и остаточных напряжений развивается пластическая деформация, изменяющая форму и размеры изделий. Релаксационный отжиг часто называемый стабилизирующим отжигом, старением, отпуском включается в технологический процесс изготовления деталей после литья, обработки резанием, шлифования и механической обработки.

Основные разновидности отжига второго рода - нормализационный, полный, неполный, изотермический. Основной целью отжига второго рода является создание структуры, улучшающей обработку резанием и давлением или подготавливающую материал к упрочняющей термической обработке. Такое достаточно быстрое охлаждение приводит к частичному или полному подавлению выделения доэвтектоидного Ф и сетки вторичного Ц. В результате получается структура феррито-цементитной смеси с дисперсным и однородным строением.

Это обеспечивает нормализованной стали повышенную твердость, прочность и пластичность без дополнительной обработки. Следует помнить, что легированные стали при охлаждении на воздухе могут получить структуру закаленной стали мартенсита. Поэтому нормализацией считается процесс, при котором превращения происходят в области перлитного превращения см. При нагреве происходит полная перестройка кристаллической решетки ОЦК-ГЦК.

Она развивается в перлите из большого количестве центров на границах Ф и Ц, что приводит к образованию мелкозернистого А. При последующем охлаждении в каждом зерне А возникает несколько участков П, что также способствует измельчению структуры. В результате формируется мелкозернистая феррито-перлитная структура, обладающая высокой пластичностью и изотропностью свойств. Он состоит из нагрева предварительно нормализованной стали до линии PSK с последующим очень медленным охлаждением.

На этапе нагрева не происходит полное растворение Ц, поэтому нераспавшиеся мелкие частицы Ц становятся центрами для образования округлых частиц Ц. Данная операция позволяет значительно уменьшить время обработки и применяется, в первую очередь, для легированных сталей рис. Закалка - ТО, в которой определяющими параметрами являются температура нагрева, обеспечивающая необходимые фазовые превращения, а также скорость охлаждения выше некоторой критической скорости, предотвращающей равновесное прохождение обратных фазовых превращений.

Таким образом, закалке подвергаются только сплавы, имеющие фазовые превращения. Термическую обработку стали, в частности закалку, удобно прослеживать, используя диаграмму изотермического распада А рис. Диаграмма строится на основе данных по регистрации при постоянных температурах начала кривая 1 и окончания кривая 2 распада А на Ф и Ц, связанного с перестройкой кристаллической решетки ГЦК Fe g на ОЦК Fe a и уменьшением растворимости C в железе.

Кривые изотермического распада аустенита. По мере увеличения скорости охлаждения пластины Ц при распаде А становятся более тонкими и частыми, что приводит к увеличению прочности стали:. Причем верхний бейнит - структура, возникающая при более высоких температурах с меньшей скоростью охлаждения оказывается менее вязкой, чем нижний бейнит - структура, возникающая при меньших температурах с большей скоростью охлаждения.

Это связано с тем, что в верхнем бейните карбидные включения расположены по границам кристаллов Ф в виде протяженных цепочек, вызывая повышение хрупкости. В нижнем бейните более мелкие частицы Ц находятся внутри зерен Ф. При охлаждении стали из области А со скоростью больше V кр распад А не успевает произойти и ниже линии начала мартенситного превращения М н имеет место бездиффузионная перестройка решетки ГЦК-ОЦК, приводящая к образованию мартенсита стали М - пересыщенного твердого раствора внедрения C в Fe a , обладающего высокой твердостью, но малой пластичностью.

Бездиффузиная перестройка решетки и избыточные атомы C, не успевшие покинуть твердый раствор, способствуют сильному искажению кристаллической решетки Fe a , вследствие чего появляется много дефектов точечных, дислокаций, двойниковых границ , способствующих увеличению твердости.

Для уменьшения количества А ост проводят, в частности, охлаждение стали ниже линии М к обработка холодом. Отпуск - ТО, применяемая после закалки с полиморфным превращением, в частности, для закаленной стали. Определяющими параметрами отпуска стали являются температура нагрева ниже линии эвтектоидного превращения PSK рис.

Часто термин отпуск применяют для обозначения релаксационного отжига. Сталь после закалки на М находится в неравновесном состоянии пересыщенного твердого раствора. М закалки имеет высокую твердость, но малую пластичность.

Поэтому для получения требуемого сочетания свойств закаленную на М сталь подвергают отпуску. Низкая температура отпуска не позволяет произойти распаду пересыщенного раствора и формируется М отпуска, сохраняющий высокую твердость и малую пластичность. Так как при этом за счет уменьшения напряжений повышается стабильность размеров и формы, то такой отпуск иногда называют стабилизирующим.

Появление Ф и уменьшение плотности дислокаций свидетельствует о росте пластичности и некотором снижении твердости. Плотность дислокаций резко уменьшается, так как данная температура соответствует началу рекристаллизации. Сочетание операций закалки и высокого отпуска называется улучшением, а стали - улучшаемыми. Структуры троостита и сорбита, полученные в процессе закалки, имеют при одинаковой твердости меньшую пластичность и ударную вязкость, чем в случае сорбита и троостита отпуска, так как округлые частицы Ц в структурах отпуска в меньшей степени являются концентраторами напряжений, чем острые пластинки Ц в сорбите и троостите закалки.

Введение в сталь легирующих элементов в большей или меньшей степени увеличивает температуру отпуска. Это способствует повышению теплостойкости сталей, то есть повышению температуры их эксплуатации. Это вызвано, как предполагается, скоплением вблизи границ зерен атомов фосфора. Защита персональных данных ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ. На стипендию можно купить что-нибудь, но не больше Методологические основы системы Декарта I.

Понятия о зажигательном оружие. Классификация зажигательных средств напалм, пирогели, электрон, термит, белый фосфор и их свойства. Изложите санитарно- гигиенические основы БЖД. Коллигативные свойства растворов неэлектролитов II. Правовые основы взаимоотношений участников добровольческой волонтерской деятельности и работодателей благополучателей II. Социальная морфология или групповые структуры II.

1 Строение и основные свойства строительных материалов.

Физико-химические свойства мочи III. Коллигативные свойства растворов электролитов. Основы систематики и классификация высших таксонов животных. Но предоставляет возможность бесплатного использования.

Есть нарушение авторского права? Мелким шрифтом излагается дополнительная информация Основные механические свойства и характеристики твердых тел и способы их улучшения При изучении данного раздела следует обратить внимание, в первую очередь, на металлические материалы, которые: Твердые тела под действием внешних факторов приложенных сил, температуры, времени проявляют следующие механические свойства: Жесткость Жесткость - способность материала сопротивляться упругому, то есть обратимому деформированию.