ответы госов — копия — копия

«Методы измерения материалов и процессов»
2. Методы механических испытаний при приложении статических нагрузок
При статических испытаниях для определения характеристик прочности и пластичности образец исследуемого материала подвергают действию постоянной или медленно и плавно повышающейся нагрузкой.
1 Испытания на растяжение. Гладкий ненадрезанный образец растягивают в испытательной машине в направлении оси образца до разрыва, а зависимость между растягивающей силой и изменением длины регистрируют в виде диаграммы нагрузка - абсолютное удлинение. Определяют: модуль Юнга (Е), предел пропорциональности (
·пц ), предел упругости (
·0,05 ),предел текучести физический (
·т). предел текучести условный (
·0,2 ), предел прочности (
·в), относительное удлинение (
·), относительное сужение (
·).
2 Испытания на сжатие.Это испытание, при котором изучают поведение материалов при одноосном сжатии, можно рассматривать как обратное испытанию на растяжение. Испытание на сжатие имеет наибольшее значение для строительных материалов, таких как натуральный камень, кирпич, бетон, древесина, а также находит применение для металлических и полимерных материалов. При испытании на сжатие образец с поперечным сечением F0 подвергают сжатию и измеряют при этом соответствующую нагрузку P. Напряжения сжатия:
·cж=р/F0. В качестве характеристик пластичности при сжатии можно определять относительное укорочение, и относительное уширение.
3 Испытание на изгиб. Испытание на изгиб находит применение для исследования сравнительно хрупких материалов, например чугунов с пластинчатым графитом, инструментальной стали или керамики. Особенное значение имеет испытание на изгиб для полимерных материалов. При изгибе образца с симметричным поперечным сечением, в одной из наружных зон возникают растягивающие, а в противоположной - сжимающие напряжения. Напряжения увеличиваются по мере удаления в обе стороны от нейтральной оси. Если напряжения при этом достигают предела текучести, наступает пластическое течение. В упругой области напряжения в поперечном сечении образца распределяются по линейному закону и максимальное значение напряжений выражается как:
·max =Mmax/
·.
·- момент сопротивления изгибу, Мтах - крутящий момент.
4 Испытание на сдвиг (кручение). При кручении все поперечные сечения образца сдвигаются (поворачиваются) вокруг общей оси по отношению к закрепленному сечению. Этот сдвиг увеличивается с увеличением расстояния от места закрепления, причем линии, параллельные оси образца, переходят в винтовые. Сдвиг, происходящий в двух соседних поперечных сечениях определяется углом кручения. Самым простым способом измерения угла закручивания является измерение взаимного поворота двух зажатых головок образца. Для проведения испытания на кручение применяют в первую очередь цилиндрические образцы.
5 Испытание на срез При испытании на срез образец нагружают двумя силами Р, которые действуют в одной плоскости. Фактически возникает пара сил с плечом а, т. е. при этих испытаниях возникают дополнительные изгибающие напряжения. На практике чаще всего проводят испытание на двойной срез. Так как при испытании на срез не достигают определенного напряженного состояния, устанавливают только максимальную силу Ртах, необходимую для среза, исходя из которой рассчитывают сопротивление срезу при испытании на двойной срез:
·ср = Рпшх /(2Fo) . Испытание на срез имеет практическое значение при оценке сталей для заклепок или, например, для определения размеров ножниц.
4,5. Методы механических испытаний при приложении циклических и ударных нагрузок.
На многие детали машин и элементы конструкций действуют динамические нагрузки в режиме колебаний, т.е. повторно-переменные нагрузки разного вида. Подобное нагружение может привести к тому, что после определенного числа циклов нагруження происходит разрушение, хотя номинальные напряжения в детали не превышали статического предела упругости. Это явление часто называют усталостью, а вызванное им разрушение -усталостным. Сопротивление, материала или детали процессу накопления повреждений при циклическом нагружении определяется пределом выносливости. Уже в середине прошлого столетия Велер разработал методику испытаний на усталость, которая находит применение (испытания по Веле-ру) до настоящего времени..Испытания на усталость проводят при синусоидальном циклическом нагружении. Процесс нагружения характеризуют следующие показатели:
максимальное напряжение цикла
·max - наибольшее по алгебраической сумме величина напряжений;
минимальное напряжение цикла
·min - наименьшая по алгебраической сумме величина;
среднее напряжение
·т =(
·max .+
·min)/2 ;
амплитуда напряжения цикла
·а =(
·max .-
·min)/2
коэффициент асимметрии Ra=.
·max/
·min
Если минимальное и максимальные напряжения цикла не равны по величине, то он называется асимметричным.
Если напряжения меняются по величине и знаку, то цикл считается симметричным, если только по величине - знакопостоянным. Чаще используют симметричный знакопеременный.
Характеристикой усталостной прочности материала является предел выносливости
·R. Это значение напряжения, которое

образец выдерживает без разрушения или без недопустимой деформации в течение сколь угодно длительного нагружения или, по меньшей мере, в течение заранее установленного числа циклов - так называемой базы испытания ( 108).
Для определения предела выносливости проводят серию испытаний при нагружении с различными нагрузками. При этом среднее напряжение цикла
·m или минимальное напряжение цикла
·min поддерживаются постоянными, в то время как амплитуда напряжения аa или максимальное напряжение цикла amax последовательно понижаются так, чтобы по результатам испытаний можно было установить предел выносливости. По результатам испытания отдельных образцов строят кривую усталости в координатах максимальное напряжение цикла
·мах (или амплитуда напряжений
·а ) - долговечность N.
Испытания при приложении ударных нагрузок
В условиях эксплуатации часто возникают ударные воздействия, например при переезде транспортных средств через выбоины, при формировании железнодорожных составов, при взлете и посадке самолетов. Попадание в цель и взрыв снарядов, высокоскоростная обработка материалов также приводят к ударным нагрузкам различной величины. В таких случаях для характеристики поведения материала необходимо провести испытания с использованием ударной нагрузки. При большой скорости деформации происходит образование ударной волны, при этом характерное для низких скоростей деформации плоское напряженное состояние переходит в плоское деформированное состояние.
Увеличение скорости деформации вызывает повышение напряжения течения. Разумеется, более существенным моментом при этом является снижение вязкости, вызывающее появление макроучастков хрупкого излома. В металлах эти участки излома можно определить по кристаллическим блестящим поверхностям разрушения, так как плоскости спайности кристаллов интенсивно отражают свет. В отличие от них сильно деформированные участки вязкого излома имеют матовый, волокнистый вид. Причиной появления хрупкого излома могут быть также низкие температуры и многоосное напряженное состояние. Следует также учитывать, что вязкость материала сильно зависит от его структуры и свойств. При приложении ударных нагрузок проводят следующие испытания: испытания на ударное растяжение и ударное сжатие; испытание на ударное кручение; испытание на ударный изгиб.
6. Методы калориметрического анализа.
прямой метод определения теплоемкости при постоянном давлении (адиабатический). Удельная тепло емкость с определяется из формулы: Н =mc(Т-Тк ), Н- теплота, пере шедшая от нагретого образца к рабочей жидкости калориметра; m - масса образца; Т и Тк- - его температура перед погружением и конечная в калориметре. Этот метол применяется для сравнительно невысоких температур (ниже точки кипения рабочей жидкости - вода, ртуть, сплав Вуда и т. п.).
Метод обратной калориметрии заключается в том, что холодный образец переносится в среду с более высокой температурой, где он нагревается. Этот метод был применен для исследования отпуска закаленной стали, в которой при нагревании в калориметре выделялась скрытая теплота закалки. Она учитывалась при расчете. Данный метод можно с успехом применять при исследовании необратимых процессов (отпуск закаленной стали, рекристаллизация наклепанного металла и т. д.).
Для определения теплоемкости при низких и средних температурах является метод электрического нагрева. Образец помещается в спираль сопротивлением R, Ом. обогреваемую электрическим током I, А, в течение
·, с. Образец массой m и удельной теплоемкостью ср нагревается от Т1до Т2.В том случае, если не учитывать тепловых потерь в окружающее пространство, теплоемкость определяется по формуле:
Ср = I2Rt/(m(T2-T1)) . Точность этого метода наибольшая, если количество теплоты, сообщенное телу, и повышение его температуры сравнительно мало.
4) Метод Сайкса- Ерузина основан на измерении количества теплоты, необходимой для нагрева образца до определенной температуры (принцип обратной калориметрии). Образец 1 массой m нагревается электрической спиралью 2 от температур Т1, до Т2 Для определения истинной (удельной) теплоемкости необходимо уменьшить
·Т=Т2-Т1. Для этого образец помещают в блок 3, находящийся в печи 4, чтобы блок получал теплоту только от печи, а образец - только от спирали и создавалось тепловое равновесие, когда температура блока Tb равна температуре образца ТS Удельная теплоемкость опред. из ур-ния ср=W/m(dTS/d
·), где W-мощность спирали, m-масса образца, определяется из уравнением масса образка; dTS/d
· - скорость изменения температуры образца.

5) метод Смита (рис. 3). Метод позволяет производить термический анализ, определять теплоемкость и скрытую теплоту превращения. Сущность метода заключается в том, что в процессе эксперимента градиент температуры St на стенке контейнера 1, в который вставлен образец 2, поддерживается постоянным. Контейнер изготовлен из огнеупорного материала с малой теплопроводностью. В этом случае устанавливается некоторое стационарное состояние, при котором пустой контейнер нагревается на
·tc за время
·
·c . Количество теплоты, израсходованное на повышение температуры на
·
·c., составляет H
·
·c,=
·tcCcmc и тс - теплоемкость и масса контейнера. Отсюда: Н=(
·tc/
·
·c)Ccmc При нагреве контейнера с образцом Н=(
·t0/
·
·0)(C0m0+ Ccmc) . C() и т() - теплоемкость и масса образца соответственно;
·t0/
·
·0-скорость нагрева. Для определения экспериментальных погрешностей контейнер нагревают с эталоном, теплоемкость и масса которого известна.
7. Методы термического анализа.
Для исследования химических реакций и превращений, происходящих под влиянием нагрева или охлаждения сплавов, применяется метод термического анализа и метод термогравиметрии.
1) Термический метод анализа предназначен для обнаружения и определения величины тепловых эффектов. Аппарат для термического анализа состоит из печи и термопары, помещенной, в образец. Регистрируется зависимость изменения температуры от времени.
Термические кривые (простая - 1, дифференциальная - 2) эвтектоидной стали).
2)Более высокую чувствительность обеспечивае так называемый Дефференциальныйметод термического анализа.анализа.
Схема дифференциального термического анализаанализа состоит из трех термопар. Одна термопара служит для измерения температуры исследуемого образца. Две термопары включены по дифференциальной схеме, при этом одна термопара (или спай) помещена в эталонное вещество (никель), не претерпевающее изменений под влиянием - тепла. Второй спай дифференциальной термопары помещен в исследуемый образец.
Схема дифференциальной термопары (а) и подводки термопар к образцу и эталону (б). При использовании такой схемы измерения температуры при нагреве печи равномерно повышается температура как образна, так и эталона до тех пор, пока в исследуемом металле не начнутся превращения. С этого момента изменение температуры исследуемого образца либо ускорится, либо замедлится в зависимости от того, сопровождается ли превращение выделением или поглощением тепла. Показания дифференциальной термопары определяются величиной теплового эффекта процесса (график, кривая - 2).
Термогравиметрический анализ позволяет с большой точностью проследить за изменением массы образца при нагреве и связать эти изменения с реакциями, происходящими в исследуемом веществе. Масса вещества измеряется автоматически на аналитических весах. По кривой термогравиметрического (ТГ) анализа можно проследить, за превращениями исследуемого металла и произвести расчеты с определенным количеством продуктов реакции. Трудности оценки кривой ТГ привели к созданию дифференциальной термографии. Кривая скорости изменения массы образна во времени (ДТП позволяет с большей надежностью судить о превращениях в и с ел еду е м о м м етал л е. Схема дериватографа. Совместные термический и термогравиметрический анализы осуществляются с помощью дериватографов.
11. Методы измерения электрического сопротивления.
1) Простейшим методом определения электрического сопротивления является метод амперметра и вольтметра, при котором измеряют падение напряжения в образце, через который пропускают ток (рис. 1).
Схема ампер метр-вольтметровой установки.
Метод позволяет определять малую и среднюю величину сопротивления. Образец X присоединяется в точках С и D к источнику постоянного тока U: последовательно с ним включается амперметр (или миллиамперметр) А и регулировочное сопротивление R. Параллельно образцу X в его точках F и В подключается вольтметр (или милливольтметр) с внутренним сопротивлением G, измеряющий разность потенциалов UFB. На основе показаний обоих приборов можно подсчитать сопротивление Rx на длине FB. По закону Ома: RX= UFB/I
Описанный способ применяется для измерения малых сопротивлений, если сопротивление прибора G велико (сотни или тысячи Ом) и если переходными сопротивлениями в точках F и В, а также и сопротивлением соединительных проводов можно пренебречь. Этим методом можно воспользоваться для измерения быстро изменяющегося электросопротивления, например в процессе отпуска стали, изотермического распада аустенита и т. п.. так как сравнительно просто может быть выполнена автоматическая запись изменения разности потенциалов и величины тока.
2) Прямое измерение электрического сопротивления можно производить мостовыми методами.

Одинарная мостовая схема Подбором сопротивлений R1 и R2 одинарного моста устанавливается равновесие токов в диагонали моста, тогда
R1/R2= Rx/Rn
Однако точно определить малые значения Rx (менее 1 Ом) нельзя, так как фактически определяется не Rx , а суммарное сопротивление между точками А и D. Оно складывается из сопротивления образца Rx , сопротивления соединительных проводов, переходных сопротивлений (во-первых, в точках крепления соединительных проводов - А и D, во-вторых, в точках крепления образца К и L). Когда сопротивление Rx мало, может оказаться , что величина дополнительного сопротивления сравнима или даже больше Rx .
Значительно отличается от одинарного моста схема двойного моста тем. что введена дополнительная параллельная ветвь. Двойной мост позволяет измерять сопротивления >10-6 Ом.
Потенциометрический (компенсационный) метод. Метод позволяет производить наиболее точные измерения. Образец с сопротивлением Rx включают последовательно в цепь с эталонным сопротивлением Rn . С помощью компенсатора сравнивают и компенсируют падения напряжения
на обоих сопротивлениях. Отсюда следует: Rx/Rn=Ux/Un Rx= Rn Ux/ UnРассмотренные методы определения электрического сопротивления не пригодны для изменения высоких значений сопротивления.
5) разряда конденсатора. Конденсатор заряженный до напряжения U емкостью С, разряжается через сопротивление Rx Силу проходящего через сопротивление тока определяют по закону Ома и по временным изменениям заряда конденсатора. Если токи Io и It, соответственно измеряют во время t0 и t, то искомое сопротивление можно определить по формуле:
Rx=(t-t0)/C *lnIt/I0
14. Методы определения упругих свойств.
1) Для динамического определения модулем разработано несколько
способов. Например, модуль сдвига можно определять при измерении частоты крутильных колебаний проволочного образца на установке типа крутильного маятника. Схема прямого и перевернутого крутильного маятника: 1 -образец; 2 - инерционная масса; 3 -захваты.
В этой установке образец закрепляют верхним концом, а к нижнему прикрепляют подвес со скручивающим приспособлением (обычно это равноплечий рычаг с двумя грузами, расположенными на равных расстояниях от образца). Иногда для удобства измерений используют так называемый перевернутый маятник, в котором жестко закреплен нижний конец образца, а скручивающая система связана с верхним концом. В этом случае осевая нагрузка на образец от веса скручивающей системы воспринимается специальной тонкой нитью - подвесом. Закручивая рычаг перед началом измерений на определенный угол, можно вызвать крутильные колебания образца, частота которых регистрируется при помощи оптической системы. Модуль сдвига материала, из которого изготовлен образец, определяют по формуле;
G =128рLIf2, L - длина образца; d - диаметр образца; I - момент инерции скручивающей системы; f - частота колебаний.
Момент инерции может быть определен, если известны массы перемещающихся грузов и периоды колебаний системы, соответствующие двум различным расстояниям от грузов до центра образца. При таком способе измерения размеры образца и параметры скручивающей системы подбирают обычно таким образом, чтобы измеряемая частота -колебаний составляла около 1Гц.

2)Метод внутреннего трения. Изменение напряжения (пунктир) и деформации во времени при релаксации деформации. Этот метод, основанный на способности металлов необратимо рассеивать энергию упругой деформации, широко распространен в металловедении и физике металлов.
В соответствии с законом Гука деформация точно следует за приложенным напряжением. В этом законе отсутствует фактор времени. В действительности стабильная деформация в соответствии с законом Гука получается только при очень медленном нагружении образца. Если очень быстро приложить напряжение у (или ф), то образец деформируется на величину е' и модуль нормальной упругости, например Е, будет равен E=у/е' . Если затем выдерживать под напряжением о образец до момента установления равновесия, то получится дополнительная деформация образца е" и Ер приобретает значение Еp=у/( е'- е")
3) Наиболее распространенным является метод крутильного маятника. В этом методе образец является упругой частью маятника. Потери циклической деформации, возникающей под влиянием касательных напряжений, определяются по логарифмическому декременту затухания свободных колебаний. При использовании метода крутильного маятника ему задают
первоначальную амплитуду А{) и измеряют амплитуду Ап через п колебаний. Относительные потери (рассеяние упругой энергии U превращение ее в теплоту) при малом угле ц обозначают Q-1 . При этом внутреннее трение равно: Q-1=lnK/
·n где К=А0/Аn
Зависимость внутреннего трения (1) и динамического модуля упругости (2) от произведения
·
·,
·-время,
·-угловая скорость.

2. Методы определения термического расширения, дилатометрические исследования.
Знание абсолютных значений коэффициента линейного расширения сплавов часто необходимо для изготовления деталей машин и приборов высокой точности, и также деталей, работающих при нагреве.
Дилатометрический анализ заключается в определении изменений длины образцов при нагреве и охлаждении или при изотермической выдержке. Важным преимуществом дилатометрического анализа является независимость объемного эффекта, а следовательно, и точности анализа от скорости охлаждения.
Дилатометрический анализ применяют для определения коэффициента теплового расширения и изучения фазовых превращений в сплавах. Например, дилатометрическим анализом изучают процессы закалки и отпуска стали, графитизацию чугуна и процессы старения некоторых сплавов. Измерение длины (или объема) во времени в изотермических условиях позволяет определить кинетику превращений, поскольку степень этих превращений во времени пропорциональна изменениям длины.
Если в металлах или сплавах при изменении температуры не происходит фазовых превращений, то их длина (объем) изменяется плавно. Однако, если происходит фазовое превращение, то длина (или объем) растет (или убывает) скачкообразно.

Критические точки и области превращений определяют по кривым, показывающим изменения длины изучаемого образца при нагреве или при охлаждении. Резкие перегибы на кривых свидетельствуют о внутренних изменениях, происшедших в сплаве.
В точке АС1 перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве в интервале температур Ac1-Ac3(длядоэвтектоидной стали) феррит превращается в аустенит, обладающий меньшим удельным объемом; количество аустенита возрастает в ходе этого превращения до 100%.

Критические точки могут быть определены непосредственно по дилатометрической кривой, без дополнительных построений. Сравнение критических точек при нагреве и охлаждении показывает их заметное различие, т. е. температурный гистерезис.. Перегибы на кривой объясняются фазовыми превращениями идущими при отжиге закаленной стали. Для регистрации изменений длины применяют различные методы и

приборы - дилатометры - механические, оптические и электрические. Одна из конструкций электрического дилатометра.
Прибор для дилатометрического анализа состоит из головки (собственно дилатометра) и регистрирующего аппарата. В головке имеется запаянная с одного конца кварцевая трубка 1, прочно закрепленная в металлической втулке 2. В трубке помещается образец 3, имеющий форму цилиндрического стержня диаметром 4 мм и длиной 30 мм.
Образец упирается в запаянный конец кварцевой трубки и кварцевый стержень 4, перемещение которого передается на индикатор часового типа 5 и эластичную пластину 6, с наклеенными на неё тензодатчиками 7. Перемещение образца вызывает изменение электрического сигнала снимаемого с тензодатчиков. Температура образца изменяется при помощи нагревательной печи 8 и регистрируется термопарой 9. находящейся в непосредственной близости к образцу.
18. Методы определения термического расширения, дилатометрические исследования.
Знание абсолютных значений коэффициента линейного расширения сплавов часто необходимо для изготовления деталей машин и приборов высокой точности, и также деталей, работающих при нагреве.
Дилатометрический анализ заключается в определении изменений длины образцов при нагреве и охлаждении или при изотермической выдержке. Важным преимуществом дилатометрического анализа является независимость объемного эффекта, а следовательно, и точности анализа от скорости охлаждения.
Дилатометрический анализ применяют для определения коэффициента теплового расширения и изучения фазовых превращений в сплавах. Например, дилатометрическим анализом изучают процессы закалки и отпуска стали, графитизацию чугуна и процессы старения некоторых сплавов. Измерение длины (или объема) во времени в изотермических условиях позволяет определить кинетику превращений, поскольку степень этих превращений во времени пропорциональна изменениям длины.
Если в металлах или сплавах при изменении температуры не происходит фазовых превращений, то их длина (объем) изменяется плавно. Однако, если происходит фазовое превращение, то длина (или объем) растет (или убывает) скачкообразно.

Критические точки и области превращений определяют по кривым, показывающим изменения длины изучаемого образца при нагреве или при охлаждении. Резкие перегибы на кривых свидетельствуют о внутренних изменениях, происшедших в сплаве.
В точке АС1 перлит превращается в аустенит, а при дальнейшем нагреве в интервале температур Ac1-Ac3(для
доэвтектоидной стали) феррит превращается в аустенит, обладающий меньшим удельным объемом; количество аустенита возрастает в ходе этого превращения до 100%.

Критические точки могут быть определены непосредственно по дилатометрической кривой, без дополнительных построений. Сравнение критических точек при нагреве и охлаждении показывает их заметное различие, т. е. температурный гистерезис.. Перегибы на кривой объясняются фазовыми превращениями идущими при отжиге закаленной стали. Для регистрации изменений длины применяют различные методы и

приборы - дилатометры - механические, оптические и электрические. Одна из конструкций электрического дилатометра.
Прибор для дилатометрического анализа состоит из головки (собственно дилатометра) и регистрирующего аппарата. В головке имеется запаянная с одного конца кварцевая трубка 1, прочно закрепленная в металлической втулке 2. В трубке помещается образец 3, имеющий форму цилиндрического стержня диаметром 4 мм и длиной 30 мм.
Образец упирается в запаянный конец кварцевой трубки и кварцевый стержень 4, перемещение которого передается на индикатор часового типа 5 и эластичную пластину 6, с наклеенными на неё тензодатчиками 7. Перемещение образца вызывает изменение электрического сигнала снимаемого с тензодатчиков. Температура образца изменяется при помощи нагревательной печи 8 и регистрируется термопарой 9. находящейся в непосредственной близости к образцу.
. Методы измерения ферромагнитных свойств.
1. Баллистический метод. Наиболее распространенный баллистический метод основан на явлении индукции и заключается в следующем. Имеется ферромагнитный образец А в виде тороида, на котором по всей его окружности расположена первичная обмотка I и вторичная II. Первичная обмотка присоединена к источнику постоянного тока; концы вторичной обмотки присоединены к баллистическому зеркальному гальванометру G. При этом методе измерения нужно применять гальванометр с большим моментом инерции, т. е. с большим периодом колебания (не менее 10-20 с). Этот принцип заключается в том. что в обмотку I дается импульс тока, намагничивающий образец. При этом в обмотке II индуктируется ток, действующий на гальванометр G. Показа-

ние гальванометра тем больше, чем интенсивнее намагничивается образец в том магнитном поле, которое создается первичной обмоткой I, т. е. чем больше поток индукции образца. В обмотке II может возникнуть определенная электродвижущая сила только в том случае, если в первичной обмотке сила тока будет возрастать или убывать, в частности будет изменяться от нуля до некоторого значения или, наоборот, от этого значения до нуля. Используя полученные данные можно вычислить магнитную индукцию образца, а используя значения II и В построить кривую намагничивания. Баллистическим методом можно построить также петлю гистерезиса.
2. Магнитометрический метод. Особо точным, хотя редко используемым в лабораториях металловедения, является магнитометрический метод. Он основан на взаимодействия изучаемого образца и магнитной стрелки, по повороту которой судят о намагниченности образца. Первоначально стрелка устанавливается вдоль меридиана, а образец - перпендикулярно ему. Стрелка вместе с зеркальцем подвешивается на кварцевой или шелковой нити. Зеркальце служит для оптического отсчета определения угла поворота стрелки. Намагниченность образца пропорциональна тангенсу этого угла. В этом методе, как и в баллистическом, нужно вносить поправку на размагничивающий фактор.
3. Методы измерения в замкнутой цепи

Этотметод заключается в том, что образец вталкивается быстрым движением в канал, просверленный в полюсах электромагнита. При этом середина образца совпадает со средней точкой межполюсного пространства. Перед тем как протолкнуть образец О, включают электромагнит на желаемую величину поля Н и замыкают цепь баллистического гальванометра G, к которому подключена катушка К, остающаяся неподвижной во все время измерения. При вталкивании образца в магнитное поле напряженности Н он намагничивается и его магнитные силовые линии, пересекая витки катушки К, отклоняют зеркальце гальванометра G. По этому отклонению а вычисляют внутреннюю индукцию образца.
3. Упругие свойства металлов.
Упругие свойства часто называют константами потому, что они подобно физическим и в отличие от большинства механических свойств не зависят от метода определения и являются постоянными для данного материала и определенных внешних условий. Экспериментальные методы определения модулей упругости можно разделить на две группы статические и динамические. По результатам стандартных статических испытаний на одноосное растяжение определяют Е, на кручение - G. Однако чаще модули упругости измеряют с использованием специальных динамических методов, отличающихся более высокой точностью. Особенно хорошо разработаны динамические методы определения модуля сдвига G и модуля нормальной упругости Е. Все динамические методы базируются на том, что частота колебаний исследуемого образца (резонансные методы) или скорость звука в нем (импульсные методы) зависят от констант упругости. Для динамического определения модулей разработано несколько способов. Например, модуль сдвига можно определять при измерении частоты крутильных колебаний проволочного образца на установке типа крутильного маятника (метод внутреннего трения). Этот метод, основанный на способности металлов необратимо рассеивать энергию упругой деформации. широко распространен в металловедении и физике металлов. Метод внутреннего трения широко распространен при исследовании дефектов решетки, их движения при деформации различных видов, их взаимодействия между собой, взаимодействия их с примесными атомами, движения доменных стенок ферромагнетика и при многих других исследованиях.
. Классификация и условия подобия механических испытаний. 1.механические и технологические методы 2. физические и химические методы исследования химического состава и структуры материала. 3. методы исследования тонкого строения и структуры и их изменений 4. методы не разрушающего контроля Физические методы испытаний 5 тензометрия.
Условия подобия механических испытаний. Характеристики механических свойств металлов в сильной степени зависят от условий проведения испытаний. Необходимо выполнение определенных условий проведения испытаний, которые бы обеспечили постоянство результатов при многократном повторении испытаний, так чтобы эти результаты в максимальной степени отражали свойства материала, а не влияние условий испытания. Условия, обеспечивающие такое постоянство и сопоставимость результатов, называются условиями подобия механических испытаний.
Условия подобия принято подразделять натри вида:
геометрические (форма и размеры образца);
механические (схема и скорость приложения нагрузок);
физические (внешние физические условия).


«Машиностроительные материалы»
1. Классификация машиностроительных материалов.
Машиностроительные конструкционные материалы классифицируются: по природе материалов, по технологическому использованию, по условиям работы.
1) Классификация по природе материаловПо природе материалы делятся на металлические, неметаллические и композиционные.
Металлические материалы всегда имеют кристаллическое строение и обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью, высокой электропроводностью, повышенной способностью к пластической деформации, положительным коэффициентом электросопротивления. К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические. Им присуши такие свойства, как: достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, сверхпрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства. Композиционные материалы - это материалы в которых имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев. В зависимости от материала матрицы их подразделяют на две группы - с металлической матрицей и неметаллической матрицей.
2) Классификация по технологическому использованию В основе такого деления машиностроительных конструкционных материалов лежат основные технологические свойства, литейные, деформируемость, свариваемость, обрабатываемость резанием, закаливаемость и про-каливаемость. Для литья в различной степени пригодны все металлы, но чтобы качество отливок удовлетворяло техническим требованиям, сплавы из которых изготавливают отливки должны обладать следующими литейными свойствами: жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации, склонность к поглощению газов. Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил. Деформируемость зависит от величины зерна, химического состава и анизотропии материала. Свариваемость - это способность материалов образовывать неразъемные соединения за счет установления межатомных связей. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом), а также пластмассы. Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения. Обрабатываемость резанием - свойство материала при определенных условиях поддаваться обработке со снятием стружки. Закаливаемость - способность металла повышать твердость в результате закалки. Прокаливаемость - способность металла получать закаленный слой с высокой твердостью, простирающийся на ту или иную глубину.
3) Классификация по условиям работы По условиям работы различают материалы, имеющие принципиально разные эксплуатационные свойства: с повышенной и высокой прочностью, износостойкие, антифрикционные, фрикционные, с высокими упругими свойствами, малой плотности и высокой удельной прочности, коррозионно-стойкие, теплостойкие, жаростойкие, жаропрочные, хладостойкие. Теплостойкость - способность материалов работать в нагруженном состоянии при температурах до 600° С в течение определенного времени. Жаропрочность - это способность материалов работать под напряжением в условиях повышенных температур (выше 600° С) без заметной остаточной деформации и разрушения. Жаростойкость - способность материалов сопротивляться газовой коррозии в процессе обработки и эксплуатации при высоких температурах.. Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды.. Износостойкость - способность материала сопротивляться изнашиванию, оцениваемая величиной, обратной скорости или интенсивности изнашивания. О хладностойкости материалов судят по величине порога хладноломкости, полученной при серийных испытаниях на ударный изгиб при разных температурах испытаний
2. Критерии использования конструкционных материалов.
Ответственным моментом в процессе конструирования и изготовления любой машины, агрегата и детали является выбор материалов. Он должен производиться с полным знанием свойств различных материалов и требований, предъявляемых к ним условиях работы и изготовления данной детали.
Выбранный материал должен отвечать следующим требованиям:
Эксплуатационные - удовлетворять условиям работы детали в маши не;
Технологические удовлетворять требованиям минимальной трудо емкости изготовления;
3. Экономические выгодным с учетом всех затрат, включающих стоимость материала, изготовление детали, а также затраты, связанные с эксплуатацией машин, для которых они предназначены.
Обоснованный выбор материала с полным учетом этих требований представляет сложную технико-экономическую задачу. В общем случае правильный выбор материала может быть сделан только на основе сопоставления нескольких вариантов. Часто используют показатель включающий совокупность нескольких свойств. Комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью.
Конструкционная прочность - комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках пользуются характеристиками – уТ, НВ.уТ -характеризует сопротивление пластической деформации. Обычно пластическая деформация при работе детали не допустима и приводит к разрушению. НВ - для приближенной оценки статической прочности. Для стали справедливо соотношение уВ =НВ/3 . При циклических нагрузках критерий прочности уR - предел выносливости. Надежность - сопротивление материала хрупкому разрушению. Критериями определяющими надежность являются температурные пороги хладноломкости - трещиностойкости (КIC). Долговечность - способность детали сохранять работоспособность в течение заданного времени. Критерии определяющие долговечность - усталостная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность и др., в зависимости от характера условий работы детали.
3. Материалы с повышенной и высокой прочностью.
Значительную группу машиностроительных материалов, для изготовления ответственных тяжело нагруженных изделий, представляют конструкционные стали. К конструкционным сталям предъявляются следующие требования: высокая прочность, достаточная вязкость, хорошие технологические свойства, экономичность, не дефицитность.
Конструкционные стали подразделяются:
углеродистые стали обыкновенного качества.
качественные углеродистые стали.
низколегированные конструкционные стали,
среднелегированные стали,
высоколегированные стали.
Углеродистые конструкционные стали
Углеродистые стали составляют 80% общего объема продукции черной металлургии и применяются для изготовления различных металлоконструкций и изделий машиностроения. Это объясняется тем, что они дешевы и имеют удовлетворительные свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки углеродистых сталей в том, что они имеют высокую критическую скорость закалки, это вызывает значительные деформации и коробление. Они имеют небольшую прокаливаемость (12 мм), что ограничивает размер изготавливаемой детали.
Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые, в них допускается повышенное содержание вредных примесей и газов. Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, утолки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок. Применение этих сталей зависит от группы к которой они относятся:
Углеродистые качественные стали от сталей обыкновенного качества отличаются более низким содержанием вредных примесей и неметалличе ских включений.
Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов без термической обработки (горячекатанные, кованные), термически обработанными и нагартованными с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
Углеродистые стали имеют разнообразное применение, благодаря различным механическим свойствам зависящих от содержания углерода и термической обработки.
3) Низколегированные конструкционные стали. Низколегированная сталь является переходной между углеродистыми и
легированными сталями. Низколегированные стали содержат до 0,2 % С и до 2-3 % недефицитных легирующих элементов. Микролегирование, незначительно удорожая сталь, повышают ее прочность, хладостойкость, корро-зионностойкость и износостойкость по сравнению с углеродистыми сталями, сохраняя ее пластичные свойства и свариваемость.
Принято выделять следующие группы низколегированных сталей:
1. Марганцовистые и марганцовокремнистые. Эти стали ненамного до роже углеродистых, но по сравнению с ними имеют лучший комплекс ме ханических свойств, повышенную хладостойкость, лучшую свариваемость. повышенную износостойкость, и коррозионную стойкость.
Эти стали применяются в судостроении, химической промышленности, вагоностроении, мостостроении, их механические свойства можно улучшить с помощью термической обработки, которую проводят после нагрева под прокатку.
2. Низколегированные стали с карбонитридным упрочнением. Добав ление в низкоуглеродистую марганцовистую сталь 0,015-0,025% Ni, 0,1- 0,2% V и иногда Ti и А1 создает предпосылки для выделения дисперсных карбонитридов ванадия и титана или нитридов алюминия. Дисперсные карбиды способствуют измельчению зерна, тормозят движение дислокаций. В совокупности эти факторы благоприятно влияют на прочность, вязкость и хладостойкость.
4) Высокопрочные среднелегированные стали
К среднелегированным сталям относятся стали содержащие 2,5-10% легирующих элементов 30ХГСН2А, 40ХСН2МА, 25Х2ГНТА.
Для достижения высокой прочности среднелегированные стали подвергают обычной закалке на мартенсит и низкому отпуску 220-250 СС, который улучшает пластичность, вязкость при сохранении высокого уровня прочности. Стали хорошо деформируются в горячем состоянии, свариваются дуговой сваркой, хорошо обрабатываются резанием в отожженном состоянии.
Поставляются в виде поковок, листов, труб, прутов, профилей. Применение: высоконагруженные детали: цилиндры, балки, шпильки, оси.
5) Высокопрочные высоколегированные стали (мартенситно- стареющие)
Высокопрочными сплавами принято считать сплавы имеющие предел прочности уB > 1800-2000 МПа при удовлетворительной пластичности и вязкости. Мартенситно-стареющие стали - это безуглеродные ( <0,03 С) сплавы легированные Со, Mo, Ti, Al, Cr и др. элементами.
Для мартенситно-стареющих сталей характерен высокий предел текучести, низкий порог хладноломкости. Применение: для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении (корпуса подводных лодок, гребные винты).
4. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием.
Обрабатываемость оценивается несколькими показателями, главный -интенсивность изнашивания режущего инструмента, дополнительные -чистота поверхности резания, форма стружки, легкость ее отвода. Обрабатываемость зависит от следующих факторов:
1. Механические свойства. Обрабатываемость уменьшается с увеличе нием твердости и прочности, так как увеличиваются усилия резания, темпе ратура нагрева инструмента, вызывающая разупрочнение режущей кромки и снижение стойкости. Но обработка слишком пластичных материалов тоже затруднена из-за:
образования сплошной трудноломающейся стружки, которая скользя по поверхности нагревает инструмент и интенсивно изнашивает его.
налипания металла на инструмент и образования нароста, ухудшаю щего шероховатость поверхности, способствующего в образовании зади- ров.
Теплопроводность. Обрабатываемость уменьшается с понижением теплопроводности металла.
Микроструктура металла. Изменяя микроструктуру металла различ ными технологическими приемами можно повысить обрабатываемость. К таким приемам относят термическую обработку и наклеп.
4. Химический состав. Самые эффективные металлургические способы, предусматривающие введение различных добавок, изменяющих химиче ский состав и количество неметаллических включений. Добавки создают «внутреннюю смазку», которая в зоне резания снижает трение между стружкой и инструментом, и облегчает ее измельчение. Стали с улучшенной обрабатываемостью резанием называют автоматными. Различают следующие группы автоматных сталей:
1) Автоматные сернистые стали. All, А12, А20, АЗО, А35, А40Г - это углеродистые стали с содержанием S = О.О8-О.З0% и P= 0,05-0,15% . Чтобы не проявлялась красноломкость в них увеличено количество марганца (0,7 - 1,55 %). Сера образует сульфиды марганца, которые играют роль смазки и повышают хрупкость феррита. При хорошей обрабатываемости эти стали имеют низкое качество -низкие механические свойства и низкая коррозионная стойкость, поэтому их не применяют для ответственных деталей. Из таких сталей изготавливают - крепежные детали, малонагруженные детали сплошной формы к которым предъявляются требования высокой точности и чистоты поверхности.
2) Автоматные свинцовосодержащие стали (0,15 - 0,35 % РЬ). Они подразделяются на углеродистые с повышенным содержанием серы (АС14, АС40, АС35Г2, АС40Г2), легированные низкоуглеродистые (АС12ХН, АС14ХГН, АС20ХГНМ) и легированные среднеуглеродистые (АС30ХН, АС38ХГМ, АС40ХГНМ).
По обрабатываемости они превосходят сернистые.Свинец находится в сталививиде дисперсных частиц, которые помогают измельчать стружку. При нагреве свинец плавится, растекается по поверхности, снижая трение между инструментом и деталью. Введение свинца повышает скорость резания на 30 - 40 % без снижения стойкости инструмента или при той же скорости резания увеличивает стойкость в 2 - 7 раз.Свинец не ухудшает механические свойства. Эти стали применяются для изготовления многихдеталей двигателей на автозаводах.
3) Автоматные селеносодержащие стали. Они подразделяются на угле родистые (А35Е, А45Е) и хромистые (А40ХЕ). Они содержат Se = 0,04-0,10% и S = 0,06-0,12% .Обрабатываемость повышается за счет образования селенидов и суль-фоселенидов, которые обвалакивают твердые оксидные влюченияи, тем самым устраняют их истирающее действие.
5. Стали с повышенной технологической пластичностью.
Технологическая пластичность зависит от химического состава и микроструктуры стали. Пластичность стали при холодной штамповке определяется в первую очередь концентрацией углерода. Чем меньше углерода, тем легче идет технологический процесс вытяжки. Рекомендуется для глубокой вытяжки брать стали с содержанием углерода <0,1 % , для гибки и незначительной вытяжки 0,2-0,3 %. Наиболее благоприятная структура стали для вытяжки феррит + небольшое содержание перлита. Лучше деформируется сталь с меньшим зерном. Для деформируемых сталей контролируются параметры: д и уТ/ уВ . Чем больше д , тем ниже уТ, и следовательно, чем меньше отношение уТ/ уВ, тем выше способность к вытяжке.
Рекомендуется уТ/ уВ =0,55-0,66 .
Для вытяжки используют стали: 05, 08, 10 всех видов раскисления.
уВ -280-330 МПа. д= 33-45% .
Наиболее часто применяемые стали - 05кп, 08кп, 10кп.
В них почти нет Si, который упрочняет феррит. Но из-за газонасыщенности стали склонны к деформационному старению. Чтобы связать N и О в химические соединения добавляют V и А1 (08Фкп, 08Юкп).
6. Стали с высокой технологической свариваемостью.
О качестве сварного соединения говорит отсутствие дефектов: поры, непровары. трещины. В принципе свариваются все металлы. Характеристикой свариваемости данного металла служит количество допускаемых способов сварки и простота ее технологии.
Для сталей свариваемость тем выше, чем меньше в ней углерода и легирующих элементов. Влияние углерода является определяющим.
Углерод расширяет интервал кристаллизации и увеличивает склонность к образованию горячих трещин. Горячие трещины появляются тогда, когда металл долго находится в жидком состоянии.
Причина холодных трещин - внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях, особенно мартенситном (местная закалка). Углерод увеличивает объемный эффект мартенситного превращения - способствует появлению горячих трещин.
В связи с этим, высокая свариваемость у сталей с содержанием углерода <0,25% .
К ним относятся: углеродистые стали - БСтО, БСт1 - БСт4, ВСт1 - ВСт4. 05, 08, 10, 15. 20. 25 низколегированные стали -09Г2, 09Г2С. 14Г2, 15ГФ 4Г2АФ, 15Г2СФ Из них изготавливают: трубопроводы, мосты, вагоны, краны, резервуары и т.д. Сварка сталей с большим содержанием углерода и легированных требует особых технологических приемов - снижения скорости охлаждения, защитной атмосферы, последующей термической обработки.
7. Железоуглеродистые сплавы с хорошими литейными свойствами.
Хорошими литейными свойствами обладает сплав, который имеет малый интервал кристаллизации. Такими сплавами являются сплавы испытывающие эвтектическое превращение. И з сплавов Fe-C лучшими литейными свойствами обладают чугуны с содержанием углерода > 2.14% >. Кроме литейных свойств чугуны имеют достаточную прочность, износостойкость, относительно дешевые. Благодаря этому используются для производства качественных отливок сложной формы. В зависимости от того, в каком виде и форме находится углерод в чугуне различают - белый, серый. ковкий, и высокопрочный чугун. Белый чугун имеет НВ = 450-550, хрупкий и для изготовления деталей машин не используется.
В промышленности широко применяются серые, ковкие и высокопрочные чугуны, в который углерод находится в виде графита. Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства, но понижает д и уB .
Серый чугун. Имеет пластинчатую форму графита. По химическому составу делятся на: обычные(нелегированные) и легированные. Обычные серые чугуны содержат: основыне элементы Fe - С (2,2-3,7°о) - Si (1-3%), примеси Мn (0,2-1,1%), Р (0,02-0,3%), S (0.02-0,15%). Из руды попадают и находятся в небольшом количестве Сг, Ni и Си. Ферритные серые чугуны: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 Предназначены для слабо и средне- нагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики, корпуса редукторов, подшипников. Феррито-перлитные серые чугуны: СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 Применяют для деталей работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателя, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков.
Перлитные серые чугуны: СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 Наиболее прочные из-за мелких разобщенных графитных включений.Их используют для деталей работающих при высоких нагрузках или в тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы.
Высокопрочные чугуны. Графит шаровидной формы получают модифицированием магнием, или сплавом магния и никеля, который вводят в чугун в количестве 0,02-0,08 %. Применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяет сталь: прокатные станы, кузнечно-прессовое оборудование, в турбостроении -корпус шаровой турбины, коленчатые валы, поршни и т.д.Ковкие чугуны. Графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектических чугунов.
8. Медные сплавы, как материалы с повышенными технологическими свойствами.
Медь обладает следующими свойствами: высокая теплопроводность высокая электропроводность, коррозионная стойкость. Сплавы меди сохраняют эти свойства меди и обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Для легирования меди используют в основном элементы растворимые в меди: Zn, Sn, AL Be, Si, Mn, Ni. Повышая прочность медных сплавов, некоторые легирующие элементы не только не снижают пластичность, но и повышают ее (такие как - Zn, Sn, Al). Медные сплавы классифицируют, по технологическим свойствам (деформируемые, литейные); по способности упрочняться с помощью термической обработки (упрочняемые, неупрочняемые т/о); по химическому составу (латуни, бронзы).
1) Латуни - это сплавы меди с цинком. Они бывают двойными (про стые) и многокомпонентными (легированные).
Латунь с >90% Си называют томпаками (Л96), при 80-85 % Си - полу-томпаками (Л80). Zn - удешевляет латунь, но практическое значение имеют латуни, содержащие до 45 % Zn, с большим содержанием Zn сплав становится хрупким. До 39 % сплав - однофазный, 39 -- 45 % структура состоит из двух фаз. Однофазные латуни хорошо деформируются в холодном состоянии, поэтому из них изготавливают холоднокатаные полуфабрикаты: полосы, ленты, проволоки, листы из которых изготавливают детали методом глубокой вытяжки (трубки, снарядные гильзы, сильфоны. Также детали требующие низкую твердость (шайбы, втулки, уплотнительные кольца). Для легирования латуни применяют Al. Fe. Ni, Sn. Si. Эти элементы повышают коррозионную стойкость латуни, обрабатываемость.
Двухфазные латуни имеют низкую пластичность при низких температурах, но хорошую в горячем состоянии Из них выпускают горячекатаный полуфабрикат - листы, прутки, трубы, из которого изготавливают детали на металлорежущих станках - гайки, штуцеры, детали электрооборудования.
Двухфазные латуни имеют небольшой температурный интервал кристаллизации, благодаря чему хорошей жидкотекучестью, но при литье большую усадочную раковину. Этот недостаток не присущ легированным латуням. Поэтому легированные латуни применяют не только как деформируемые, но и как литейные.
2) Бронзами называют сплавы меди со всеми элементами кроме Zn. На звание бронзам дают по основным элементам: оловянные, алюминиевые, бериллиевые, кремнистые. Zn может присутствовать в качестве легирующе го элемента.
Оловянные бронзы. В меди растворяется (по диаграмме состояния) 15,8 % Sn (a - фаза). Но эти сплавы склонны к неравновесной кристаллизации и в реальных условиях однофазное состояние у сплава до 5 - 8 % Sn. При большем содержании Sn в структуре сплавов присутствует эвтектоид (а + 8) (д -- фаза электронное соединение Cu31Sn8 Появление д- фазы в структуре бронз вызывает и резкое изменение свойств, снижается их вязкость и пластичность. Поэтому практическое применение имеют бронзы, содержащие до 10% Sn. Алюминиевые бронзы; Си и А1 образуют б- твердый раствор.
Дополнительно алюминиевые бронзы легируют Mn, Fe, Ni, Pb. Из алюминиевых бронз изготавливают мелкие, но ответственные детали типа шестерни, втулок, флацев. Бронзы легированные Fe и Ni хорошо упрочняются закалкой + старением.
Кремнистые бронзы. Пружины, фасонные отливки, мембраны.
Свинцовые бронзы. Бр СЗО Имеют более низкие механические и технологические свойства, но используются как высококачественный антифрикционный материал (вкладыши). Беррилиевые бронзы. Бр Б2 Высококачественный пружинный материал. После закалки от 800° С +- старение 300-350° С происходит выделение дисперсных частиц, возрастает прочность и упругость (уВ=1100-1200 МПа).
10-11. Износостойкие материалы. Материалы с высокой твердостью поверхности.
Детали которые подвергаются изнашиванию можно подразделить на две группы: детали образующие пары трения (подшипники скольжения и качения, зубчатые передачи); детали изнашивающиеся в результате воздействия рабочей среды (жидкость, газ и т.п.) Причина изнашивания сопряженных деталей - работа сил трения. Под действием этих сил происходит деформирование участков поверхности, их упрочнение, разупрочнение, выделение теплоты, изменение структуры, развитие процессов усталости.
Существует два основных пути повышения износостойкости материала: увеличение твердости трущейся поверхности, снижение прочности адгезионной связи.
Повышение твердости направлено на то, чтобы затруднить пластическую деформацию и исключить микрорезание.
Снижение прочности адгезионной связи необходимо для предупреждения схватывания металлических поверхностей. Наиболее эффективно эта цель достигается разделением поверхностей смазочным материалом.
Материалы с высокой твердостью поверхности:
1)Материалы устойчивые к абразивному изнашиванию Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов про порциональна их твердости. В сплавах эта зависимость не соблюдается.
При наиболее тяжелых условиях работы используют карбидные сплавы в виде литых и наплавочных материалов.
В промышленности используют более 100 сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием (до 4 %) углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение содержания которых сопровождается увеличением износостойкости.
Для деталей работающих без ударов применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относят сплавы: У25Х38, У30Х23Г2С2Т. (цифра после буквы У означает содержание углерода в десятых долях %).
При значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаватора, пики отбойных молотков и др.) применяют сплавы с аустенитно-мартенситной -У37Х7Г7С или аустенитной матрицей - У11ГЗ, У30Г34.
Для деталей работающих при средних условиях изнашивания применяют спеченые твердые сплавы, которые состоят из карбидов We, TiC, TaC с металлическим Со, а также высокоуглеродистые стали Х12, Х12М, Р18, Р6М5 (инструментальные стали со структурой - мартенсит + карбиды).
Для более легких условий изнашивания применяются низко- и средне-углеродистые стали с различного видами поверхностного упрочнения и чугуны (гильзы цилиндров, поршневые кольца, коленчатые валы.
Эти материалы предназначены для таких изделий массового производства, как подшипники качения и зубчатые колеса. Усталостное выкрашивание на их рабочих поверхностях вызывают циклические контактные напряжения сжатия.
12. Материалы устойчивые к абразивному изнашиванию.
Износостойкость при абразивном изнашивании чистых металлов пропорциональна их твердости. В сплавах эта зависимость не соблюдается.
При наиболее тяжелых условиях работы используют карбидные сплавы в виде литых и наплавочных материалов.
В промышленности используют более 100 сложных по химическому составу литых и наплавочных материалов. Они представляют собой сплавы с высоким содержанием (до 4 %) углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti) В их структуре может быть до 50 % специальных карбидов, увеличение содержания которых сопровождается увеличением износостойкости.
Для деталей работающих без ударов применяют сплавы с мартенситной структурой. К ним относят сплавы:У25Х38 У30Х23Г2С2Т (цифра после буквы У означает содержание углерода в десятых долях %)
При значительных ударных нагрузках (зубья ковшей экскаватора, пики отбойных молотков и др.) применяют сплавы с аустенитно-мартенситной -У37Х7Г7С или аустенитной матрицей - У1 1Г13, У30Г34.
Для деталей работающих при средних условиях изнашивания применяют спеченые твердые сплавы, которые состоят из карбидов We, TiC, TaC с металлическим Со, а также высокоуглеродистые стали XI2, Х12М, Р18. Р6М5 (инструментальные стали со структурой - мартенсит + карбиды)
Для более легких условий изнашивания применяются низко- и средне-углеродистые стали с различного видами поверхностного упрочнения и чугуны (гильзы цилиндров, поршневые кольца, коленчатые валы.
14. Антифрикционные материалы.
Антифрикционные материалы предназначены для изготовления подшипников скольжения. Основные служебные свойства материала для подшипников скольжения - антифрикционность и сопротивление усталости. Антифрикционность - способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженных деталей.
Антифрикционность обеспечивает следующие свойства материала:
1.высокая теплопроводность,
2.хорошая смачиваемость смазочным материалом,
3.способность образовывать на поверхности защитные пленки мягкого материала,
4.хорошая прирабатываемость - способность материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта.
Металлические материалы. Металлические антифрикционные материалы по своей структуре подразделяются на два типа:
1.сплавы с мягкой матрицей и твердыми включениями,
2.сплавы с твердой матрицей и мягкими включениями.
К сплавам первого типа относятся бабиты и сплавы на основе меди -бронзы и латуни.
Бабиты - мягкие сплавы на оловянной или свинцовой основе. На оловянной основе: Б83 (83 % Sn, 11% Sb и 6 % Си), Б88. На свинцовой основе: Б16 (16 % Sn, 16 % Sb, 2 % Си), БС6, БН.К сплавам второго типа относятся чугуны. Мягкая составляющая -включения графита. Для работы при больших давлениях и малых скоростях используют серые чугуны. СЧ15, СЧ20 и легированные антифрикционные чугуны: серые - АЧС-1, АЧС-2, АЧС-3, высокопрочные АЧВ-1, АЧВ-2, ковкие АЧК-1, АЧК-2. Марку чугуна выбирают так, чтобы его твердость была ниже твердости стальной цапфы. Достоинства чугуна - невысокая стоимость. Недостатки - плохая прирабатываемость, пониженная стойкость к ударной нагрузке.
Неметаллические материалы. Для изготовления подшипников скольжения применяют пластмассы -термореактивные и термопластичные смолы. Из термореактивных пластмасс используют - текстолит. Из него изготавливают подшипники прокатных станов, гидравлических машин, гребных винтов. Такие материалы работают в тяжелых условиях, смазываются водой, которая хорошо охлаждает и размягчает поверхность. Из термопластичных материалов (полимеры) - ПС 10, анид, капрон, фторопласт (Ф4, Ф40). Они имеют низкий коэффициент трения, высокую износостойкость и коррозионную стойкость.
15. Фрикционные материалы.
Они применяются в тормозных устойствах и механизмах передающих крутящий момент.
Фрикционные материалы работают в тяжелых условиях изнашивания, при высоких давлениях, скоростях скольжения (до 40 м/с), температуре (до 1000° С).
Требования к фрикционным материалам: высокий и стабильный в широком интервале температур коэффициент трения, минимальный износ, высокие теплопроводность и теплостойкость, хорошую прирабатываемость, достаточную прочность.
Этим требованиям удовлетворяют многокомпонентные неметаллические и металлические спеченые материалы. Их производят ввиде пластин и накладок которые крепят к стальным деталям. Наиболее часто применяют асбофрикционные материалы: ретинакс - ФК-24А и ФК-16Л коэффициент трения 0,37-0,4 25 % - фенолформальдегидная смола 40 % -асбест, 35 °о - барит, рубленая латунь и пластификатор. Используют в тормозах самолетов, автомобилей и др. Недостатки -- низкая теплопроводность, отсюда перегрев. При тяжелых режимах применяют металлические спеченные материалы. Их производят на основе железа ФМК-8, ФМК-11 и на основе меди МК-5. Кроме основы и металлических компонентов они содержат неметаллические добавки - асбест, графит, оксид кремния, барит. В многодисковой тормозной системе самолетов используют бериллий из-за его высокой теплоемкости, теплопроводности и малой плотности.
16. Материалы с высокими упругими свойствами.
К материалам с высокими упругими свойствами относятся пружинные стали и сплавы. Независимо от условий применения пружинные сплавы должны иметь определенные, характерные для всех конструкционных сплавов, свойства - высокую прочность в условиях статического, циклического или динамического нагружения, достаточную пластичность и вязкость, а так же высокое сопротивление разрушению.
Однако основным свойством, которым должны обладать пружинные стали и сплавы, является высокое сопротивление малым пластическим деформациям как в условиях кратковременного (предел упругости), так и длительного (релаксационная стойкость) нагружения, зависящее от состава и структуры этих материалов, а также от параметров воздействия на них внешних условий температуры, коррозионной активности внешней среды и др.
1) Рессорно-пружинные стали
Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транспорте, станкостроении. Их еще называют пружинными сталями общего назначения. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0.5 - 0,7 %), которые подвергают закалке и отпуску при температуре 420-520є С. Небольшие пружины простой формы изготавливают из стали, поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин, требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном состоянии. Термической обработке подвергают готовые изделия, полученные горячей навивкой или штамповкой.
2) Пружинные сплавы
Пружинные сплавы подразделяются на следующие группы: коррозионно-стойкие, немагнитные, с низким коэффициентом модуля упругсти, высокоэлектропроводные.
Коррозионно-стойкие сплавы применяют для изготовления пружин работающих в коррозионно-активных средах. Для пружин, стойких в слабо-окисляющим средам применяют высокохромистые стали типа 30X13 и 40X13. Пружины из этой стали изготавливают методами холодной или горячей навивки или изгиба и термической обработки.
Хорошей коррозионной стойкостью и меньшей склонностью к хрупкому разрушению обладают дисперсионно-твердеющие стали аустенитно-мартенейтного класса с низким содержанием углерода: 09X15Н8Ю, 0Х17Н7ГТ (содержание углерода не более 0,05%).
Более высокое сопротивление коррозии при высоких прочностных свойствах имеют практически безуглеродистые мартенситно-стареюшие стали, упрочняемые закалкой и отпуском (старение): ОЗХ12Н10Д2ТБ, 04Х14К13Н4МЗТБВ. Эти стали устойчивы в морской воде и окислительных средах. Упругие элементы из них можно изготовить методами холодной штамповки из закаленных заготовок, а затем их подвергают упрочняющему старению (отпуску).
Немагнитные пружинные сплавы. Немагнитными свойствами в сочетании с хорошими упругими свойствами обладают аустенитные хромонике-левые стали, упрочняемые после закалки пластической деформацией с высоким обжатием. Когда нужна полная немагнитность в сильноупрочнен-ном состоянии, применяют стали 17Х18Н9 и 37Х 12Н8Г8МФБ также после сильной деформации.
Для упругих элементов малых сечений и простой формы, но в которых требуется очень высокая прочность при немагнитное™ применяют сплавы на Co-Ni-Cr основе.
Пружинные сплавы с низким температурным коэффициентом модуля упругости применяют для упругих элементов часовых механизмов, они обеспечивают повышенную точность работы указанных изделий. Это ферромагнитные сплавы на железоникелевой основе, упрочняемые в результате термической и термомеханической обработкой.
Сплавы 42HXTIO и 42НХТЮА имеют постоянный модуль упругости
при температуре до 100°С, сплав 44НХТЮ при температуре до 200єС.
Высокоэлектропроводные пружинные сплавы. К ним относятся берил-лиевые бронзы, фосфористая бронза и другие сплавы на основе меди.
Наибольшее применение приобрели бериллиевые бронзы с содержанием Be от 0,4-0,7 до 2-2,5 % и имеющие в своем составе дополнительные легирующие элементы никель, кобальт, титан, серебро и до 0,2 % магния.
Широкое применение бериллиевых бронз в промышленности объясняется тем, что наряду с высокими значениями предела упругости и релаксационной стойкости они обладают хорошей коррозионной стойкостью, не-магнитностью, повышенной электрической проводимостью и ценными технологическими свойствами - хорошо штампуются, паяются, свариваются и т. д. Бериллиевые бронзы имеют большую упругую деформацию, чем упругие элементы из стали. Однако высокая стоимость бериллия ограничивает применение таких сплавов. Широко используется сплав БрБНТ1,9, легированный титаном и никелем.
17-18. Материалы с малой плотностью и высокой удельной прочностью.
К легким металлам относятся цветные металлы Al, Mg, сплавы на их основе и пластмассы.
1) Алюминий и сплавы на основе алюминия
Алюминий. - обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электропроводностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Алюминий выпускается в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.). обозначают АД0, АД1 (Д - деформируемый). Алюминий применяют для изготовления рам, дверей, трубопроводов. фольги, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду. Благодаря высокой теплопроводности о\\ используется для различных теплообменников в холодильниках. Благодаря высокой электропроводности используется для конденсаторов, проводов, кабелей, шин. Благодаря отражательной способности -используется для прожекторов, рефлекторов. Основными легирующими элементами для алюминиевых сплавов являются Си, Mg, Si. Mn, Zn. Алюминиевые сплавы классифицируются по технологии изготовления -деформируемые, литейные, спеченные: способности к термической обработке - упрочняемые и неупрочняемьте: и свойствам.
Деформируемые сплавы неупрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы АМц, АМг. Имеют высокую пластичность, свариваемость, коррозионную стойкость. Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, когда требуется высокая коррозионная стойкость - трубопроводы для бензина и масла, сварные баки, заклепки, корпуса судов.
Деформируемые сплавы упрочняемые термической обработкой. К ним относятся сплавы нормальной прочности и высокопрочные - дуралюмины (Д). сплав Al-Cu-Mg. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Благодаря изменению растворимости меди в алюминии эти сплавы подвергаются термообработке, состоящей из закалки и естественного старения. После закалки структура сплава состоят из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями.
Дуралюмины широко применяют в авиации.
Литейные алюминиевые сплавы. Они маркируются буквами - АЛ. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы А1-Si (силумины). Они обладаю! высокой жидкотекучестыо, малой усадкой, низкой склонностью к образованию горячих трещин, хорошо свариваются.
2) Магний и сплавы на основе магния
Магний- металл серебристо-белого цвета. Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. Он используется в пиротехнике, в химической промышленности, в металлургии различных металлов и сплавов - как рас-кислитель. восстановитель и легирующий элемент. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al. Zn, Mn. Магниевые сплавы хорошо обрабатываются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Они удовлетворительно свариваются контактной и дуговой сваркой. По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяются на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам невысокой и средней прочности, высокопрочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.
«Теория и технология термической и химико-термической обработки»
1. Вторичная рекристаллизация.
Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассматривать как зародышевые центры, и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентацией отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выделения примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов.
Вторичная рекристаллизация - процесс предпочтительного роста некоторых зерен с равной объемной энергией за счет зерен той же фазы, практически не увеличивающихся в размерах, осуществляется миграцией границ, стимулируемой выигрышем в зернограннчной или поверхностном энергии
Выигрыш в зернограничной энергии - движущая сила процесса в том случае, когда центры рекристаллизации обладают заметным преимуществом в размерах по сравнению с окружающими зернами.
Выигрыш в поверхностной энергии - движущая сила процесса в тонких образцах, когда поверхностная энергия центров вторичной рекристаллизации (поверхностная энергия кристаллографических плоскостей, параллельных поверхности образца) заметно меньше поверхностной энергии зерен другой ориентировки.
В общем случае наименьшей поверхностной энергией обладают атомные плоскости с максимальными межплоскостными расстояниями: [110} для о. ц. к.; {111} для г. ц. к.; (0001} для г. к.
Адсорбция, связанная со средой отжига или другими причинами, может привести к тому, что минимумом поверхностной энергии будут обладать не указанные выше, но другие плоскости.
2. Гомогенное и гетерогенное зарождение фаз
Гомогенное зарождение - новая фаза зарождается в материнской старой фазе только за счет энергетической и концентрационной флуктуации.
Если фаза чистая, то внутри нее происходит такое зарождение за счет случайного перемещения атомов.
Гетерогенное зарождение - новая фаза зарождается на имеющихся поверхностях раздела материнской фазы с другими фазами (включения, стенки).
В твердом состоянии условие для предпочтительного образования новой фазы на границах раздела очень благоприятно, поскольку в матрице существует множество объемов с повышенной свободной энергией, а величина образования зародыша критического размера или вероятность повышается в этих областях, где повышенный уровень свободной энергии:
границы зерен (высокоугловые границы) и блоков (малоугловые гра ницы).
Включения (карбиды, оксиды, нитриды).
3)Дефекты кристаллического строения (дислокации, дефекты упаков ки).
3. Диагональная, ребровая и кубическая текстуры прокатки ОЦК -металлов.
Анализ текстуры катаного и волоченого железа показывает, что под углом 45е к направлению вытяжки (т. с. в зоне действия наибольших касательных напряжений) располагается плоскость (100). По этой плоскости происходит интенсивное упрочнение в процессе деформации, и когда эта плоскость вновь совпадает с поверхностью максимальных касательных напряжений при растяжении, наблюдается значительное сопротивление пластической деформации. При кручении поверхность максимальных касательных напряжений
·-железа не совпадает с поверхностью максимальных касательных напряжений при его деформации при текстурообразова-нии, поэтому в плоскости (110) сопротивление пластической деформации меньше, чем при растяжении.
Многочисленные работы по изучению текстур холоднодсформированного железа и стали позволили определить их характерные особенности. Текстура главным образом описывается направлениями [110] зерен, лежащими вдоль направления прокатки с отклонением от него на несколько градусов, и плоскостями (001). находящимися в плоскости прокатанного листа с отклонениями от этого положения около направления прокатки, как около оси. Отклонение предполагает поворот ориентировок от положения (001) [110] на различные углы вплоть до 45 или 65° и зависит от степени обжатия. Отклонение около направления, поперечного направлению прокатки, изменяется в зависимости от различных условий, уменьшаясь с увеличением степени обжатия. В поверхностных слоях отклонение уменьшается с увеличением диаметра прокатных валков.
Некоторые из ориентировок были описаны Курдюмовым и Заксом с помощью идеальных ориентировок (1 12) [1 10] и (111) [112]. Стали с повышенным содержанием углерода обычно имеют менее резко выраженные текстуры.
Когда повороты отдельных зерен происходят в ходе деформации по схеме прокатки, некоторые кристаллы сохраняют относительно отчетливую единственную ориентировку, другие неоднородно поворачиваются в положение с двумя или более ориентировками.
Текстуры поперечной прокатки отличаются от текстур обычной прокачки. Если степени обжатия в двух взаимно перпендикулярных направлениях равны, то текстура поперечной прокатки о.ц.к. металлов приблизительно представляет наложение двух полюсных фигур для прокатки в этих двух направлениях.
4. Диффузионное превращение аустенита при охлаждении.
Он проходит в две стадии:1) Перлитное превращение до 450-500єС 2)промежуточное превращение (бейнитное) до 220єС. Перлитное превращение идет в две ступени 1)образование зарод. цементита и их рост;2)полиморфное превращение.Считается, что ведущим процессом явл.образование Ц., за счет восходящей диффуз.углерода из однородного тв.рас-ра, содерж.0,8%С;зародыши Ц. сод. 6,67%С. В тех обл. А., гдесод. Углерода пониж., немедленно происх.перестройка реш.ГЦК в ОЦК, т.е.обр. Ф. и ост-ти углерода «выдавл» к кристаллам Ц. АSФр+ЦК.Рост зерна Ц. образует рядом с собой безуглородистые обл. и обр. Ф. Понижение тем-ры привод. К ускорению процессо. Крист.станов. тоньше и расстояние между ними тоньше.
В интервале температур от А1 . до 550 - 500 °С при охлаждении происходит превращение аустенита в эвтектоидную смесь кристаллов
· -фазы (феррита) и цементита или специальных карбидов; формируется перлит. При перлитном превращении диффузионное перераспределение углерода и легирующих элементов протекает наряду с переходом атомов растворителя (железа) из кристаллической решетки
· в решетку а .
Эвтектоидное, перлитное превращение может развиваться с образованием различных углеродсодержащих фаз. При весьма малом переохлаждении возможен распад аустенита на стабильные фазы - феррит и графит. Однако образование графита затруднено тем, что для этого необходимы весьма большие флуктуации концентрации углерода и отвод относительно малоподвижных атомов железа. Поэтому в сталях доэвтектоидного и эвтек-тоидного составов выделение графита становится практически невозможным и распад аустенита происходит с образованием смеси феррита и карбидов (перлита). Такое превращение происходит с достижением относительного минимума свободной энергии (по сравнению с образованием смеси феррита и графита), но кинетически оно более выгодно и осуществляется с большей скоростью.
Морфология перлита.
В углеродистых сталях при переохлаждении аустенита ниже А1 возникают колонии перлита. Пластины цементита растут в продольном и боковом направлениях. Понижение содержания углерода в близлежащих объемах аустенита и увеличение этих объемов по мере роста пластин приводят к возникновению зародышей феррита. Пластины феррита также растут в. продольном и боковом направлениях; повышение содержания углерода в смежных участках аустенита вызывает образование цементитных пластин, параллельных первой, - образуется перлитная колония. При изменении ориентации цементитной или ферритной пластины вследствие влияния на процесс роста, например, дефектов структуры начинается образование новой перлитной колонии. С увеличением переохлаждения число перлитных колоний в зерне аустенита увеличивается, а размеры колонии уменьшаются.
5. Изменение структуры и свойств сплавов при обработке давлением, текстуры деформации в ОЦК, ГЦК и ГП - металлах.
при обработке давлением происходит во первых изменение формы и размера зерен, а во-вторых изменяется внутреннее строение зерен, повышается плотность дислокаций и вакансий. Происходит образование текстуры деформации, когда определенные кристаллографтческие плоскости, в первую очередь более упакованные и направленные распологаются параллельно плоскости прокатки.Текстуры деформации:
ОЦК (сплав железа вольфр. ниобия) прокатка-(100) <110>-диагональная; -(110) <100>-ребровая; -(100) <100>-кубическая Волочение-<110>
ГЦК (медь, никель, аллюм)-прокатка -(110) <112>-текстура типа латуни; -(112) <111>-текстура меди; волочение-<111><110>
ГП (спл меди цинка титана) Прокатка -(0001) <1120>; волочение <1010>
При прокатке стали различные структурные составляющие, например участки занятые ферритом и перлитом, вытягиваются в направлении прокатки, и структура резко меняется. Получаются полосы (строки) перлита и феррита вытянутые в направлении деформации. Такая структура называется полосчатой или строчной.
Прочность и вязкость изделий из лигой стали, во всех направлениях более или менее одинакова, а после прокатки механические свойства стали вдоль прокатки становятся значительно выше, чем поперек. Причем по пределу текучести и прочности м/у образцами, вырезанными из заготовок или готовых изделий вдоль и поперек прокатки, большой разницы не наблюдается, но удлинение, сужение и ударная вязкость на поперечных образцах всегда получаются значительно ниже, чем на продольных.
Для получения высокопрочных стальных деталей их изготовляют так. что бы волокна стали описывали конфигурацию изделия и что бы в ответственных местах деталь испытывала напряжение вдоль, а не поперек волокон. Горячую и холодную механическую обработку деталей следует проводить так, чтобы наиболее плотный и прочный поверхностный слой слитка был сохранен, а средняя рыхлая ликвационная часть слитка располагалась бы в наименее ответственных, не напряженных местах
6. Кристаллогеометрические соотношения при мартенситном превращении: Бейна, Курдюмова-Закса, Нишиямы, Гренингера-Трояна.
Ориентационные соотношения между решетками аустенита и мартенсита.
Большая скорость мартенситного превращения аустенита при низких температурах, аналогия в образовании кристаллов мартенсита с образованием двойников деформации, экспериментальные данные о кристаллической структуре мартенсита привели к представлению о превращении как-закономерной, быстро протекающей («скачкообразной») перестройке решетки
· и
· с сохранением углерода в твердом растворе (бездиффузионное превращение).
Механизм перестройки решетки
·-железа в решетку
·-железа был предложен Э. Бейном в 1924 г. Он получил впоследствии название деформации Бейна и заключается в сжатии / -гранецентрированной решетки по оси [001]
· и растяжении по осям <110>
· . Экспериментальное определение ориентировки мартенсита по отношению к осям монокристалла аустенита (ориентационные соотношения Курдюмова-Закса) позволило предложить другую схему перестройки путем двух сдвигов, полностью удовлетворяющую найденной ориентировке.
Наличие пятен (022) мартенсита рядом с пятнами (222) аустенита позволило заключить: решетка мартенсита ориентирована по отношению к решетке аустенита так, что плоскость (011)
· параллельна плоскости (111)
·
Анализ геометрии превращения решеток
· - и
·-железа показал, что сдвиг по плоскости (111)
· в направлении [211]
· на 1/6 периода трансляции решетки в этом направлении с изменением угла между плотноупако-ванными рядами атомов железа от 120 до 109° переводит г. ц. к. решетку в о. ц. к. Плоскость (111)
· аустенита становится тогда плоскостью (011)
· , при этом сохраняется параллельность обеих плоскостей.
Полное определение ориентировки решетки мартенсита привело к установлению соотношения Курдюмова-Закса: (011)
·//(111)
·; [111]
·//(101)
·
Для сплавов железа с 27 и 34 % Ni было установлено ориентациейное соотношение Нишиямы: (011)
·//(111)
·; [111]
·//(211)
·
Соотношение Курдюмова-Закса может быть достигнуто 24 положениями решетки мартенсита в одном кристалле аустенита; соотношению Нишиямы отвечают 12 эквивалентных вариантов ориентировки мартенситных кристаллов.относительно исходного аустенитного зерна.
Ориентационное соотношение Курдюмова-Закса имеет простой физический смысл: параллельность наиболее плотно упакованных плоскостей и направлений в двух решетках, что особенно важно в условиях низкотемпературного сдвигового процесса.
7. Макро - и субструктура мартенсита, игольчатый и пакетный мартенсит, тонкая структура мидриба; инвариантность габитусной плоскости.
Кристаллы мартенсита в зависимости от состава стали, а следовательно, и от температуры своего образования могут иметь различные морфологию и субструктуру. Различают два типа мартенсита - пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит образуется в высокоуглеродистых сталях, характеризующихся низкой температурой мартенситной точки. В этом случае кристаллы мартенсита состоят в средней своей части из большого числа микродвойников, образующих среднюю зону повышенной травимости, называемую нередко мидрибом. Его кристаллы представляют собой широкие пластины. В плоскости шлифа они имеют вид игл. Наиболее часто (конструкционные углеродистые и легированные стали) кристаллы мартенсита имеют форму тонких реек (реечный мартенсит), вытянутых в одном направлении. Чаще образуется и наблюдается пакет из реек. Такой высокотемпературный мартенсит называют массивным, в отличие от игольчатого. Тонкая структура реечного мартенсита сложна и представляет собой запутанные дислокации высокой плотности при отсутствии двойниковых кристаллов.
Пластинчатый мартенсит, который также называют игольчатым, низкотемпературным, образуется в высокоуглеродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием никеля. Кристаллы пластинчатого мартенсита имеют форму тонких линзообразных пластин, которые в разрезе на шлифе выглядят иглами. Такая форма мартенсита соответствует минимуму энергии упругих искажений при его образовании в аустенитной матрице.
Реечный мартенсит, называемый также массивным, высокотемпературным, недвойникованным, образуется в закаленных малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве конструкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму тонких реек, вытянутых в одном направлении (отсюда название этой формы мартенсита). Рейки параллельны и образуют плотный пакет, внутри которого они разделены мало- или высокоугловыми границами. Скорость образования пластин мартенсита объясняет когерентностью и упругим сопряжением двух решеток - образующегося мартенсита и исходной фазы, аустенита. Происходит «скользящее» движение, обусловленное бездиффузионным, кооперативным перемещением атомов на расстояния, меньшие межатомных. Так же характерной чертой кинетики мартенситного превращения является его автокаталитичность, напоминающая цепные реакции. На скорость роста кристаллов мартенсита оказывает большое влияние плотность дислокаций и механизм их движения - скольжение вместе с границей или переползание. Повышенная плотность дефектов (дислокаций, двойниковых прослоек) оказывает дополнительное влияние и на фазовый наклеп, наблюдающийся при превращении аустенита в мартенсит (объем мартенсита больше объема аустенита). Кроме того, повышенная плотность дислокаций, особенно их появление на границе фаз, может привести даже к частичному нарушению когерентности.
Габитусная плоскость - это плоскость раздела мартенситной и аустенитной фаз. Эта плоскость является плоскостью мартенситной пластины. В следствии деформации эта плоскость сохраняет ориентировку и размеры, которые она имела до перестройки (инвариантная плоскость).
8. Механизм и способы охлаждения металла после нагрева.
Основные процессы термической обработки стали связаны с применением различных скоростей охлаждения, колеблющихся в широком диапазоне величин от долей градуса до сотен градусов в секунду. Для обеспечения столь разнообразных условий процессы охлаждения осуществляются вместе с печами, на воздухе, в маслах, расплавах и растворах.
При взаимодействии с охлаждаемым телом охлаждающая среда изменяет свое состояние вследствие повышения температуры и, в ряде случаев, протекания различных физико-химических процессов, связанных с расплавлением или испарением. В соответствии с этим охлаждающие среды могут быть разделены на две группы.
Для первой группы в процессе охлаждения изменяются только количественные характеристики: температура и тепловые свойства среды.
Для второй группы в процессе охлаждения происходит изменение агрегатного состояния среды, связанное с кипением. Образование паровой пленки в момент погружения горячего тела в охлаждающую среду приводит к замедленному охлаждению в связи с низкой скоростью теплоотвода. Это называется стадией пленочного кипения. Разрушение паровой пленки вызывает соприкосновение отдельных объемов нагретой охлаждающей жидкости с нагретым телом; при этом жидкость испаряется. Испарение непрерывно подающихся к охлаждаемой поверхности объемов жидкости (пузырьков) связано с поглощением скрытой теплоты испарения и приводи! к интенсивному охлаждению (так называемая стадия пузырчатого кипения). При понижении температуры охлаждаемого тела начинается третья стадия -конвективного теплообмена, которая также характеризуется замедленным снижением температуры. Подобный характер охлаждения наблюдается при использовании сред, температура кипения которых ниже температуры охлаждаемого тела (вода и водные растворы солей, щелочей и т. п.).
Скорость охлаждения существенно изменяется по мере понижения температуры тела. Скорость и характер охлаждения стальных тел в воде и в водных растворах определяются многочисленными факторами, главными из которых являются: температура охладителя, скорость перемещения тела и среды друг относительно друга и содержание различных примесей.
Благодаря замедлению охлаждения в верхнем интервале температур величина термических напряжений оказывается меньшей. Сохранение же высокой интенсивности охлаждения в районе мартенситного превращения способствует образованию больших фазовых напряжений, снижению прочности и появлению закалочшлх трещин. В связи с этим повышение температуры воды выше 30 - 40° С так же. как и понижение ниже 10°С, является крайне нежелательным.
Для повышения охлаждающей способности воды рекомендуется применять циркуляцию с целью разрушения паровой пленки и сокращения второй замедленной стадии охлаждения.
Большое влияние на охлаждающую способность водных растворов оказывает введение специальных примесей. Некоторые из них (соли, щелочи, кислоты-) значительно ускоряют, а другие (глина, масло, мыло, желатин) замедляют'процесс охлаждения.
Большое практическое значение имеет охлаждение в маслах. Охлаждение в масле уменьшает скорость охлаждения в районе 650 - 550° примерно в 5 раз, т. е. значительно ослабляет закаливающую способность. Вместе с тем в районе мартенситного превращения скорость охлаждения по сравнению с водой уменьшается в 25 - 30 раз, что благоприятно сказывается на уменьшении закалочных деформаций и возможности образования трещин. Изменение температуры и скорости циркуляции значительно слабее сказывается на охлаждающей способности масел по сравнению с водой.
В последнее время для закалки, главным образом, стальных изделий больших диаметров применяется водовоздушная смесь, получаемая путем распыления воды с помощью воздуха через специальные форсунки. Скорость охлаждения зависит от соотношения между количеством воды и воздуха: наименьшая - при охлаждении в струе воздуха и наибольшая - в струе воды.
9. Механизм роста зерен при критической деформации, диаграмма рекристаллизации.

Диаграмма рекристаллизации железа. При очень малых степенях деформа ции нагрев не вызывает рекристаллизацию. При 3 -15 %-ной деформации величина зерна после отжига резко возрастает и может во много раз превысить величину исходного зерна.Такую степень деформации называют называют критической. ПослеПосле ообжатий с критической Степень деформации, % степенью деформации
также не происходит рекристаллизации по механизму образования новых зерен и их роста. Нагрев металла, подвергнутого обработке с критическими степенями деформации, вызывает быстрый рост одних исходных нерекристаллизованных зерен за счет поглощения соседних. Такой механизм рекристаллизации, сходный со вторичной рекристаллизацией, объясняется неоднородностью деформации разных зерен при небольших степенях деформации. Поэтому при нагреве становится возможным рост менее деформированных зерен, т. е. имеющих более низкое значение энергии Гиббса, за счет более деформированных, т. е. имеющих большую энергию Гиббса. Критическая, степень деформации тем меньше, чем выше температура отжига. Следовательно, критической называют такую минимальную степень деформации, выше которой при нагреве становится возможной первичная рекристаллизации. Зависимость величины рекристаллизованного зерна от температуры и степени деформации часто изображают в виде диаграмм рекристаллизации. Эти диаграммы дают возможность в первом приближении выбрать режим рекристаллизационного отжига. Но следует учитывать, что результаты отжига зависят и от других факторов. Диаграммы рекристаллизации не учитывают влияния примесей, скорости нагрева и величины зерна до деформации. Чем быстрее нагрев, тем мельче зерно. При уменьшении величины исходного зерна повышается критическая степень деформации и рекристаллизованное зерно (при данной степени деформации) оказывается мельче.
10. Механизм упрочнения металлов при дорекристаллизацнонном отжиге.
Скорость полигонизации, происходящей при дорекристаллизационном отжиге зависит от природы металла, степени предшествующей деформации, предыдущей термообработки, содержания примесей и других факторов.
Важнейшая характеристика металла - энергия дефектов упаковки -сильно влияет на склонность к полигонизации. Чем меньше энергия дефектов упаковки, тем больше ширина растянутых дислокаций и труднее проходят процессы переползания и поперечного скольжения, необходимые для полгонизации. Поэтому в алюминии, имеющем высокую энергию дефектов упаковки и, следовательно, слабо расщепленные дислокации, полигониза-ция идет сравнительно легко. В меди она протекает труднее, а в а -латуни с низкой энергией дефектов упаковки поли тонизация обычно не наблюдается.
При больших степенях деформации рекристаллизация предотвращает развитие полигонизации. Поэтому полигонизацию обычно наблюдают при отжиге только после небольших деформаций.
Атомы примесей тормозят полигонизацию из-за образования атмосфер Котрелла затрудняющих перераспределение дислокаций скольжением и переползанием, и из-за образования атмосфер Сузуки, снижающих энергию дефектов упаковки и также затрудняющих перераспределение дислокаций. При одинаковой температуре отжига более чистый металл полигонизирует-ся за более короткое время.
11. Механизмы зарождения центров рекристаллизации.
Первичная рекристаллизация может осуществляться по одному из двух механизмов:
миграцией локальных участков исходных большеугловых границ;
образованием центров с новыми больше-угловыми границами и их ростом (до взаимного соприкосновения).
Первый механизм преобладает при относительно малых степенях деформации. В этом случае в силу неоднородности деформации плотность дислокаций повышается прежде всего у границ зерен. Однако в зернах с разной исходной ориентировкой плотность приграничных дислокаций, как правило, неодинакова. Так, при прокатке металлов с о. ц. к. решеткой в зернах, ориентированных параллельно плоскости прокатки плоскостям {100}, плотность дислокаций меньше (слабее наклепаны), чем в зернах, ориентированных {110} и {111}. В процессе нагрева после такой прокатки на локальных участках исходных границ (где эта разница максимальна, т. е. максимальна движущая сила) создаются необходимые условия для их миграции в зерно с большей плотностью приграничных дислокаций. Если при деформации уже сформировалась ячеистая структура, то исходная больше-угловая граница будет мигрировать в зерно с меньшим размером ячеек. В результате на мигрирующей границе возникают «выступы», которые можно рассматривать как центры первичной рекристаллизации.
Этот механизм следует называть рекристаллизация миграцией исходных границ, стимулированная градиентом наклепа.
Мигрирующие локальные участки исходных границ изменяют ориентировку захваченных объемов соседних зерен на ориентировку растущего зерна. Одновременно граница захватывает дефекты (дислокации), в пройденном ею объеме как бы «выметает» их.
Второй механизм преобладает в материале, в котором предшествующей деформацией создана ячеистая структура. При нагреве некоторые ячейки (размеры их - десятые доли микрометра) превращаются в центры рекристаллизации. Превращение происходит в процессе предрекристаллизационной полигонизации. Вначале часть дислокаций в трехмерных стенках ячеек аннигилирует в процессе взаимодействия и перемещения (переползанием и скольжением, в том числе поперечным), а оставшиеся дислокации образуют двухмерные субграницы. Дислокационные ячейки превращаются в субзерна. Далее субзерна - будущие центры рекристаллизации - укрупняются, а их субграницы в процессе укрупнения увеличивают угол разориентировки и постепенно превращаются в больше-угловые.
Укрупнение субзерен проходит по одному из двух возможных механизмов - либо миграцией субграниц, либо коалесценцией субзерен (ячеек).

12. Наследование текстуры деформации при рекристаллизации.
При большой степени деф. возникает преимущественная ориентация кристаллографических плоскостей и направлений в зернах. Закономерная ориентация крист. относительно внешних деф. сил получила название текстуры. Чем > степень деф., тем > часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деф. (прокатка, волочение и т. д.). Образование текстуры способствует появлению анизотропии мех. и физ. св-тв. После выс. степеней предш. Деф. воз-ет текстура, к. нередко явл. причиной обр-ния при последующем нагреве текстуры рекрист. В этом случае новые рекрист. зерна имеют преимущественную кристаллограф. ориентацию. Характер текстуры рекристаллизации опр-ся условиями проведения отжига, видом предшествующей обработки давл-ем (прокатка, волочение и т. д.), а также количеством и природой примесей. При н. тем-ах отжига металлов с ГЦК реш. (К12) текстура рекр. такая же, как и текстура деф., а при высоких она отличается от текстуру деформации или отсутствует. Текстуру рекр. можно наблюдать в меди, алюминии, железе и других металлах. При образовании текстуры рекр. отожженный поликристаллический металл хар-тся анизотропией сво-тв.
13. Особенности Мартенситного превращения.
Мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в
·-железе. Если в равновесном состоянии растворимость углерода в а -железе при 20 °С не превышает 0.002 %. то его содержание в мартенсите может быть таким же как в исходном аустените. т. е. может достигнуть 2.14 %.
Атомы углерода занимают октаэдрические поры вдоль осп в решетке
· -железа (мартенсита) и сильно ее искажают. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, в которой один период «с» больше другого - «а». При увеличении содержания углерода высота тетрагональной призмы «с» увеличивается, а размеры ее основания уменьшаются. Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлажден до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Превращение носит бездиффузионный характер. Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Отдельные атомы смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные, сохраняя взаимное соседство, однако величина абсолютного смещения растет пропорционально удалению от межфазной границы. Это приводит к макроскопическому сдвигу, внешним проявлением которого является микрорельеф на поверхности металлического шлифа. В процессе превращения кристаллы мартенсита сопряжены с аустенитом по определенным кристаллографическим плоскостям и межфазная граница не образуется. Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень велика (-103 м/с). В процессе роста мартенситного кристалла вследствие разности удельных объемов аустенита и мартенсита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что в конечном счете приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы е неупорядоченным расположением атомов.
14. Собирательная рекристаллизация.
Собирательная рекристаллизация - вторая стадия рекристаллизацион-ного процесса - заключается в росте образовавшихся новых зерен. Движущей силой собирательной рекристаллизации является поверхностная энергия зерен. Рост зерен объясняется тем, что при наличии большого количества мелких зерен их общая поверхность очень велика, и поэтому металл обладает большим запасом поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность их границ становится меньше, что соответствует переходу металла в более равновесное состояние.
Особенность собирательной рекристаллизации заключается в том. что рост происходит не в результате слияния нескольких мелких зерен в одно более крупное зерно, а одни зерна растут за счет других зерен, «поедая» их вследствие перехода атомов через границы раздела зерно на одном участке может расти за счет соседнего зерна, а на другом участке может поглощаться другим, соседним с ним зерном. Процессы собирательной рекристаллизации могут совершаться и до полного завершения первичной рекристаллизации.
Собирательная рекристаллизация - процесс роста одних зерен данной фазы за счет других при практически равной объемной энергии, совершающийся миграцией границ под влиянием неуравновешенности сил зер-нограничного натяжения в тройных стыках и кривизны границ в направлении уменьшения неуравновешенности и кривизны.
Под действием неуравновешенности стыки мигрируют в направлении приближения углов в стыках к 120е, а границы мигрируют к своим центрам кривизны.
В результате собирательной рекристаллизации происходит статистически однородное укрупнение зерен. Кривая распределения зерен но размерам смещается в сторону более крупных зерен, не меняя своего характера.



































G

G



Рисунок 7Рисунок 14Рисунок 23Рисунок 1Рисунок 28Рисунок 4Рисунок 5Рисунок 6™ђ Заголовок 115

Приложенные файлы

  • doc 23380318
    Размер файла: 638 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий