Технологические свойства материалов

Содержание

 

 Введение

1. Механические свойства материалов.

 

2. Технологические свойства материалов.

 

Литература.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Свойства материала, воплощенного в реальное изделие заданных размеров, формы, текстуры, состояния поверхности, могут значительно отличаться от тех, которые определяют путем испытаний  стандартных образцов в стандартных  условиях. Как правило, действительная прочность конструкции оказывается  ниже той, которая может быть предсказана  без учета ее специфики по стандартным  механическим характеристикам материала.

Причинами, вызывающими это  различие, являются: особенность формы  конструкции и связанные с  нею, в частности, неоднородность напряженного состояния и концентрации напряжений; отличие абсолютных размеров образца  от размеров детали, т.е. масштабный фактор; наличие в конструкции технологических  или эксплуатационных остаточных напряжений или иное их распределение по сравнению  с образцом; различие в жесткостях, что приводит к различным уровням  запаса упругой энергии детали и  образца; разные состояния их поверхностей; изменение свойств материала  в процессе эксплуатации и т.п.

Большое влияние оказывают  условия окружающей среды, в которых  приходится работать материалам строительных конструкций и деталям машин. Например, при повышенных температурах (конструкции доменных печей, ракетных двигателей) или при пониженных температурах (элементы холодильных установок), при  действии радиоактивных, особенно нейтронных, проникающих излучений (ядерные  реакторы), электромагнитных полей  или же вызвано протеканием физико-химических процессов, химических и электрохимических  реакций на поверхности твердого тела и в его объеме. Ясно, что  механические свойства материалов будут  изменяться и зависеть от условий  эксплуатации конструкций, элементов  машин и механизмов.

Все это свидетельствует  о необходимости дифференцированного  подхода к установлению коэффициентов  запаса, которые должны учитывать  специфику работы материала в  реальном изделии. В тех случаях, когда необходимая информация отсутствует, большое значение, особенно для ответственных  конструкций, приобретают натурные испытания деталей и их элементов. Эти испытания, с одной стороны, позволяют апробировать разработанные  методы оценки прочности конструктивных элементов, основанные на использовании  данных испытаний образцов, а с  другой – позволяют определить комплексное  влияние различных конструктивно-технологических  и эксплуатационных факторов, характерных  для создаваемого изделия и реальных условий эксплуатации.        

 

 

1. Механические свойства материалов.

 

   Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок. Основными показателями свойств материалов являются:

• прочность;
• твердость;
• триботехнические характеристики.

Их параметры существенно  зависят от формы, размеров и состояния  поверхности образцов, а также  режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействия окружающих сред и других факторов).

Прочность - свойство материалов сопротивляться разрушению, а также  необратимому изменению формы под  действием внешних нагрузок. Она  обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал.

Если при растяжении образца  сила внешнего воздействия на пару атомов превосходит силу их притяжения, то атомы будут удаляться друг от друга. Напряжение, возникающее в  материале и отвечающее силе межатомного  притяжения, соответствует теоретической  прочности.

При возникновении в материале  локального напряжения больше теоретической  прочности произойдет разрыв материала  по этому участку. В результате образуется трещина. Рост трещин продолжается, пока в результате их слияния одна из трещин не распространится на все  сечение образца и не произойдет его разрушение.

Деформирование - изменение  относительного расположения частиц в  материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом, деформация - изменение формы и размеров изделия  или его частей в результате деформирования. Деформацию называют упругой, если она  исчезает после снятия нагрузки, или  пластичной, если она не исчезает (необратима).

Реальные материалы обладают технической прочностью, основные характеристики которой удобно рассмотреть с  помощью диаграммы растяжения образца  из пластичного материала (рис.1).

Предел упругости - напряжение, при котором остаточные деформации (т.е. деформации, обнаруживаемые при  разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости у_у ограничивает область упругих деформаций материала.

Предел текучести - напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме для материалов, разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация.

Прочие материалы характеризуют  условным пределом текучести - напряжением, при котором остаточная деформация достигает значения, установленного техническими условиями. Обычно остаточная деформация не превышает 0,2%. Отсюда и  обозначение: у_0,2.

Предел текучести является основной характеристикой прочности  пластичных материалов.

Предел прочности - напряжения или деформации, соответствующие  максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение  наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного  сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают а_в.

Предел прочности - основная характеристика механических свойств хрупких материалов, т.е. материалов, которые разрушаются при малых пластических деформациях.

Правила определения характеристик  технической прочности материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах напряженного состояния  установлены государственными стандартами (ГОСТ).

Динамическая прочность - сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление  и точка приложения которых быстро изменяются во времени.

Усталость материалов - процесс  постепенного накопления повреждений  под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств  материалов, образованию и разрастанию  трещин. Свойство материалов противостоять  усталости называется выносливостью.

Ползучесть - непрерывное  пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки. Любые твердые материалы в  той или иной степени подвержены ползучести во всем диапазоне температур эксплуатации. Вредные последствия  ползучести материалов особенно проявляются  при повышенных температурах.

Причиной неудовлетворительной прочности изделий может быть влияние поверхностных дефектов и напряжений, которые возникают  из-за неравномерного распределения  нагрузки, обусловленного особенностями  конструкции. Поэтому прочность  конструкционных элементов (сварочных  швов, болтов, валов и т.д.) - конструкционная  прочность - во многих случаях ниже технической прочности исходных материалов.

Твердость является механической характеристикой материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Она выражается сопротивлением материала местному пластическому деформированию, возникающему при внедрении в материал более  твердого тела - индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, используя несколько методов:

• вдавливание индентора;
• динамические методы;
• царапанье.

Вдавливание индентора в образец с последующим измерением отпечатка является основным технологическим приемом при оценке твердости материалов. В зависимости от особенностей приложения нагрузки, конструкции инденторов и определения чисел твердости различают методы:

• Бринелля;
• Роквелла;
• Виккерса.

Динамические методы измерения  твердости не приводят к возникновению  дефектов поверхности изделий. Распространен  способ определения твердости в  условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего  на поверхность испытуемого материала  с определенной высоты. Применяется  и метод измерения твердости  с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения  частоты колебаний измерительной  системы в зависимости от твердости  исследуемого материала.

Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке  возрастания их твердости: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения.

Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.

Основные триботехнические характеристики материалов:

• износостойкость;
• прирабатываемость;
• коэффициент трения.

Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление  изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение  которого он возник, или к пути, на котором происходило изнашивание, представляет собой соответственно скорость изнашивания и интенсивность  изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной, обратной скорости и интенсивности изнашивания.

Прирабатываемость - свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.

Коэффициент трения - отношение  силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят  от скорости скольжения, давления и  твердости материалов трущихся поверхностей.

Триботехнические характеристики материалов зависят от следующих основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:

внутренних, определяемых природой материалов;

внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение);

режима трения (скорость, нагрузка, температура);

среды и вида смазочного материала.

Совокупность этих факторов обусловливает вид изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др.

Основная причина всех видов изнашивания - работа сил трения, под действием которых происходит многократное деформирование поверхностных  слоев трущихся тел, изменение их структуры, и т.д.

Коррозионная стойкость

Коррозия - физико-химический процесс изменения свойств, повреждения  и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей среды.

Под коррозионным повреждением понимают любой дефект структуры материала, возникший в результате коррозии. Если механические воздействия ускоряют коррозию материалов, а коррозия облегчает их механические разрушения, имеет место коррозионно-механическое повреждение материалов.

Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия материалов и окружающей среды посредством  электродных реакций. Металлы наиболее подвержены этому виду коррозии вследствие высокой электрической проводимости и химической активности.

Коррозионное повреждение  различных участков материала может  быть неодинаковым. По характеру разрушения материалов различают равномерную  и местную коррозию. Последняя возникает из-за химической или физической неоднородности среды, и материала на отдельных участках поверхности изделия.

С конструктивными особенностями  изделий связаны щелевая и  контактная коррозии. Первая протекает  внутри или в непосредственной близости от узкого отверстия или зазора в  конструкциях. Вторая вызвана контактированием металлов, различающихся по электродному потенциалу.

Для оценки сопротивления  материалов коррозии используют следующие  параметры:

• фронт коррозии - воображаемая поверхность, отделяющая поврежденный материал от неповрежденного;
• скорость коррозии - это скорость продвижения ее фронта;

техническая скорость коррозии - ее наибольшая. скорость, вероятностью превышения которой нельзя пренебречь в конкретных условиях. Сопротивление материалов коррозии характеризуют с помощью параметра коррозионной стойкости - величины, обратной технической скорости коррозии материала в данной коррозионной системе. Условность этой характеристики заключается в том, что она относится не к материалу, а в целом к коррозионной системе. Коррозионную стойкость материала нельзя изменить, не изменив других параметров коррозионной системы. Противокоррозионная защита - это изменение коррозионной системы, ведущее к снижению скорости коррозии материала.

 

 

 

 

 

2. Технологические свойства материалов.

 

   Технологические свойства материалов характеризуют восприимчивость материалов технологическим воздействием при переработке в изделия. Знание этих свойств позволяет рационально осуществлять процессы изготовления изделий.