Свойства конструкционных материалов

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические (Рисунок 6.1).

Рисунок 6.1– Классификация конструкционных материалов

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов.
Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами.
Разнообразие состава типов межатомной связи и кристаллических структур сплавов обуславливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойств.
Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов цветными.

Неметаллические материалы – неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика и т.д.

Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.

Композиционные материалы – гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.

При этом:

• материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела);
• один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим.

В приборостроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные иклеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в приборостроении постоянно увеличивается.

Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления.

Применение порошковых материалов определяется необходимостью изготовления изделий с особыми свойствами и структурой, которые недостижимы другими методами производства, либо изделий с обычным составом, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства.

Свойства конструкционных материалов подразделяются на:

• механические;
• технологические;
• эксплуатационные.

К механическим свойствам относятся:

• прочность;
• упругость;
• пластичность;
• твердость;
• ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и долговечность конструкции.

Прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются.

Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения S₀ и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка P– удлинение ∆l образца (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Диаграмма растяжения

Диаграмма растяженияхарактеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:

• упругой деформации – до нагрузки Р_упр;
• равномерной пластической деформации от Р_упр до Р_мах;
• и сосредоточенной пластической деформации от Р_мах до Р_к.

Если образец нагрузить в пределах Р_упр, а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится.

Закон Гука для линейного участка диаграммы: σ = Е ε, где Е – называется модулем упругости или модулем Юнга. Е имеет размерность кг/см² и является одной из физических констант материала. Модуль упругости при растяжении численно равен тангенсу угла наклона диаграммы напряжений к оси абсцисс.

Между относительной поперечной деформацией и относительной продольной деформацией при простом растяжении и сжатии в пределах применимости закона Гука существует постоянное соотношение, абсолютная величина которого называется коэффициентом Пуассона μ = ε¹/ε – безразмерная величина и для всех изотропных материалов лежит в пределах 0 – 0,5 ( 0 для пробки, 0,5 для каучука, для стали 0,3 ).

При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация.
Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования.
Упрочнение металла при деформировании называется наклепом.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца.
После достижения максимального значения нагрузки Р_мах в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается отР_мах до Р_к, и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца.
При этом упругая деформация образца исчезает, а пластическая ∆l_ост остается.

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением. Размерность напряжения МПа.

Пользуясь указанными характеристиками, и зная площадь сечения образца S₀, определяют основные характеристики прочности материала:

σ_пц = Р_пц/S₀ - предел пропорциональности; σ_уп = Р_уп/S₀ - предел упругости; σ_т = Р_т/S₀ - предел текучести; σ_в = Р_мах/S₀ - предел прочности или временной сопротивление; σ_к = Р_к/S₀ - напряжение в момент разрыва.

Поскольку диаграмма растяжения металлов характеризует не только свойства металлов, но и размеры образца, то ее принято перестраивать в относительных координатах σ – ε, такая диаграмма называется диаграммой напряжений.

Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением :

где l₀, S₀ - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; l_k, S_k - конечная длина и площадь в месте разрыва.

Допустимые значения напряжений в расчетах выбирают меньше в 1,5 - 2,5 раза.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методыопределения твердости Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на Рисунке 3.4.

Рисунок 6.3 – Схема определения твердости материала
по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром Д = 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность под определенной нагрузкой наконечника в виде шарика или алмазного конуса. Для мягких материалов (до НВ 230) используется стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка Р₀ (100 н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P.

Твердость по Виккерсу определяется по величине отпечатка индентора: алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136^o.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки Р к площади поверхности отпечатка.

Нагрузка Р составляет 50…1000 н. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв. Метод обеспечивает высокую точность при высокой чувствительности.

Способ микротвердости – используется для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании P составляют 5…500 н.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах. Испытуемые образцы имеют надрезы определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. Ее определяют по ГОСТ как удельную работу разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине одним ударом маятникового копра: КС = К/S, где К - работа разрушения; S - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора. Измеряется в МДж/м² .Обозначают KCU, KCV, KCT, U, V, T - вид концентратора (U, V - образный; Т - трещина усталости).

Технологические свойства конструкционных материалов.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• литейные свойства;
• деформируемость;
• свариваемость;
• обрабатываемость режущим инструментом.

Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла или сплава к заполнению литейной формы (жидкотекучесть), степенью химической неоднородности по сечению полученной отливки (ликвация), а также величиной усадки – сокращением линейных размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Способность материала к обработке давлением– это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь (обработка без снятия стружки). Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

Свариваемость – это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества при сварке. Свойство оценивается по качеству сварного шва.

Обрабатываемость резанием – характеризует способность материала поддаваться обработке режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированное производство, предъявляет к технологическим свойствам материала особые требования: проведение сварки на больших скоростях, ускоренное охлаждение отливок, обработка резанием на повышенных режимах и т. п. при обеспечении необходимого условия – высокого качества получаемой продукции.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях:

• износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;
• коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;
• жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;
• жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость при высоких температурах;
• хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;
• антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий. При выборе материала для создания конструкции необходимо учитывать конструкционные, технологические и эксплуатационные свойства.