Твёрдость и истираемость материалов и способы их определения

Контрольная работа №1.

Вариант №5.

Вопрос 1.

Твёрдость и  истираемость материалов и способы их определения.

Ответ:

Твердость —  свойство материала сопротивляться проникновению в него другого  более твердого материала. Для определения  твердости материалов в зависимости  от их вида и назначения существует ряд методов. Твердость каменных материалов однородного строения определяют по шкале Мооса, которая составлена из 10 минералов с условным показателем твердости от 1 до 10 (самый мягкий тальк— 1, самый твердый алмаз— 10). Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один царапает испытываемый материал, а другой оставляет черту на образце материала. Твердость металла, бетона, пластмасс определяют вдавливанием в испытуемый образец под определенной нагрузкой и в течение определенного времени стандартного стального шарика. За характеристику твердости в этом случае принимают отношение нагрузки к площади отпечатка. Показатели твердости, полученные разными способами, нельзя сравнивать друг с другом. Высокая прочность материала не всегда говорит о его твердости (например, древесина по прочности при сжатии равнозначна бетону, а ее твердость значительно меньше, чем у бетона). Для некоторых материалов (например, для металлов) существует определенная связь между твердостью и прочностью, для других материалов (однородные каменные материалы) — между твердостью и истираемостью.

Истираемость — свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость — на специальных кругах истирания, а износ — с помощью вращающихся барабанов, куда вместе с пробой материала часто загружают определенное количество металлических шаров, усиливающих эффект измельчения. За характеристику истираемости принимают потерю массы или объема материала, отнесенных к 1 см2 площади истирания, а за характеристику износа — относительную потерю массы образца в процентах от пробы материала.

Допустимые  показатели истираемости и износа нормируются в соответствующих стандартах.

Вопрос 2.

Способы оценки прочности без разрушения материала.

Ответ:

Прочность - способность материалов сопротивляться разрушению, происходящему в результате действия внешних сил. Кроме того, причиной разрушения материала могут быть такие факторы, как неравномерно протекающие тепло- и массообменные процессы, действие электрических и магнитных полей и многие другие физические и физико-химические процессы и явления.

В настоящее  время разработано много различных  приборов, начиная от простейшего  молотка и кончая электронными установками, которые дают возможность определять прочность материалов без разрушения. Различают механические и физические неразрушающие методы оценки прочности  материалов.

Механические  неразрушающие способы оценки прочности  заключаются в определении величины пластичной деформации поверхностного слоя (заглубления, отпечатков) при  воздействии различного рода вдавливания  или ударов, либо величины упругой  деформации (упругого отскока от поверхности  при ударе), численные значения которых  затем используются для характеристики прочности исследуемого материала.

Физические  методы основаны на использовании связи  между прочностью материала и  скоростью распространения ультразвука, ослаблением потока γ-лучей и изменением других физических характеристик исследуемого материала.

Механические  методы наиболее полно характеризуют  прочность поверхностного слоя материала, которая к тому же в значительной мере зависит от его влажности. Поэтому  в исследовательской практике (в  лабораториях) применяют физические методы: акустические, радиометрические и др., позволяющие судить о качестве материала не только по поверхностному слою, но и по его внутренней структуре.

Акустические  методы.

Определение прочности этими методами базируется на использовании корреляции (соотносительности) между упруго вязкопластичными и прочностными свойствами материала, с одной стороны, и физическими параметрами, характеризующими распространение звуковых колебаний (волн) в этом материале, с другой.

Акустические  методы исследований прочности материала  разделяют на два основных вида: импульсный и вибрационный (резонансный).

Импульсный  метод испытаний основан на измерении  в материале (в образцах или конструкциях) скорости распространения ультразвуковых волн, а иногда и интенсивности  их затухания. Для этих целей используют специальные электродные приборы.

Вибрационный (резонансный) метод исследований основан  на оценке механических свойств материала  по динамическому модулю упругости  и логарифмическому декременту затухания, вычисляемым по частоте собственных колебаний образца и их затуханий, которые замеряются приборами.

Определение прочностных свойств цементного камня, раствора или бетона по акустическим показателям осуществляют двумя  способами:

1. Устанавливая прямые эмпирические зависимости между акустическими показателями и прочностью путем проведения параллельных определений акустическими методами и обычных механических испытаний до разрушения и построения по этим данным тарировочных графиков и формул;

2. По относительным изменениям акустических свойств образцов при изменении температурно-влажностных условий их хранения, при воздействии попеременного замораживания и оттаивании и других факторов.

При определении  прочности по первому способу  наиболее часто используют связь  между прочностью при сжатии Rcж и скоростью распространения продольных ультразвуковых волн.

Установлено, что на устойчивость этой связи влияет, прежде всего, вид заполнителей (особенно крупного при испытании бетонных образцов), водоцементное отношение, продолжительность твердения образцов к моменту испытаний, вид тепловлажноcтной обработки, влажность образцов.

Если указанные  факторы меняются незначительно, то оценка прочности портландцемента  по тарировочной кривой «скорость ультразвука — прочность» может дать достаточно точные для практики результаты. При возможных неблагоприятных сочетаниях указанных факторов и при большом их изменении необходимо при оценке прочности вяжущих веществ учитывать и другие акустические показатели.

Второй способ оценки прочности основан на том, что акустические показатели являются чувствительными косвенными характеристиками изменений физико-механических свойств  цементного камня, раствора или бетона при воздействии тех или иных факторов.

Установлено, что увеличение скорости распространения  продольных ультразвуковых колебаний  в бетоне соответствует нарастанию прочности бетона во времени.

Вопрос 3.

Термическая обработка стекла –  отжиг и закалка.

Ответ:

Стекло — переохлаждённый расплав  сложного состава из смеси силикатов  и других веществ. Отформованные  стеклянные изделия подвергают специальной термической обработки — отжигу и закалке.

Отжиг отформованных, еще горячих  изделий служит для предотвращения возникновения в них внутренних неравномерных напряжении, появляющихся при быстром охлаждении на воздухе  и вызывающих самопроизвольное растрескивание стекла. Отжиг сводится к выдерживанию изделий в течение некоторого времени при температуре, близкой  к температуре размягчения стекла, и к последующему медленному охлаждению их по определённому режиму.

Отжиг производится в отжигательных  печах непрерывного или периодического действия. Длительность отжига определяется толщиной (массивностью) изделий до нескольких месяцев (астрономич, объективы). Не требуют отжига только некоторые тонкостенные изделия, например дроты, колбы (оболочки) для электрич, ламп и т. п.

Закалка стекла— операция, обратная отжигу. Её назначение — создать в изделиях сильные равномерно распределённые напряжения. Закалённые изделия термически и механически гораздо более прочны, чем отожжённые. В результате закалки получается небьющееся стекло, применяемое для остекления окон вагонов, автомобилей, самолётов и т. п. Чтобы закалить листовое стекло, его предварительно разогревают до 600°—650°, затем быстро охлаждают в обдувочной решётке путём равномерного обдувания воздухом.

Существует несколько способов закаливания стекла. Самый продуктивный способ - горизонтальной закалки. Он позволяет  получить закаленное стекло размером от 4 до 12 мм. При грамотном подходе  к технологии производства, можно  получить качественную закалку стекла любой толщены.

Вопрос 4.

Оценка матрицы и упрочнителя в формовании свойств композитов.

Ответ:

Композиты - многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической., углеродной, керамической или др. основы (матрицы), армированной наполнителями  из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойств композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов.

По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсно-армированные, или дисперсно-упрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционных материалах обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе, определяет тепло-, влаго-, огне - и хим. стойкость.

1. Композиционные материалы  с металлической матрицей

Композиционные материалы состоят  из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

2. Композиционные материалы  с неметаллической матрицей

Композиционные материалы с  неметаллической матрицей нашли  широкое применение. В качестве неметаллических  матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наибольшее распространение получили эпоксидная, фенолоформальдегидная и полиамидная. Угольные матрицы коксованные или пироуглеродные получают из синтетических полимеров, подвергнутых пиролизу. Матрица связывает композицию, придавая ей форму. Упрочнителями служат волокна: стеклянные, углеродные, борные, органические, на основе нитевидных кристаллов (оксидов, карбидов, боридов, нитридов и других), а также металлические (проволоки), обладающие высокой прочностью и жесткостью. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей. Содержание упрочнителя в ориентированных материалах составляет 60-80 об.%, в неориентированных (с дискретными волокнами и нитевидными кристаллами) 20-30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиги и сжатии и сопротивление усталостному разрушению. По виду упрочнителя композиционные материалы классифицируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты. В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоские слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала. Применяется укладка упрочнителей из трех, четырех и более нитей. Наибольшее применение имеет структура из трех взаимно перпендикулярных нитей. Упрочнители могут располагаться в осевом, радиальном и окружном направлениях. Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отрыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем разложения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трехнаправленных.