Физико-химические свойства материалов
Введение
Учебная дисциплина «Материаловедение» - одна из основных технических дисциплин в подготовке инженеров различных отраслей производства. Целью изучения данной дисциплины является познание природы и свойств материалов, а также методов их упрочнения для эффективного использования в технике.
Значительное место в пособии занимает изучение основных механических и физико-химических свойств материалов. Кроме того, приведено практическое применение методов исследования и испытаний для решения основных научных и технических задач, позволяющих характеризовать строение и свойства материалов разного состава после различных видов обработки. Большое внимание уделено изучению безобразцовых методов определения механических свойств. Главное его достоинство заключается в возможности ускоренной оценки механических характеристик металла готовых изделий, не выводя их из строя и не вырезая из них образцов. Этот метод контроля эффективно применяется особенно в нефтехимии при оценке остаточного ресурса оборудования, пробывшего длительное время в эксплуатации и выработавшего расчетный срок службы.
Для методической помощи студентам в пособии имеется раздел, в котором описан алгоритм решения задач, а также приведены примеры решения типовых задач.
Учебно-методическое пособие написано в помощь студентам механических специальностей химико-технологических вузов, изучающих дисциплину «Материаловедение». Данный курс, совместно другими общетехническими дисциплинами, направлен на обеспечение общеинженерной подготовки студентов.
Раздел 1. Свойства материалов
Критерии выбора материала
Свойство - это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.
Выделяют три основные группы свойств: эксплу-атационные, технологические и стоимостные, которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его применения. Перво-степенное значение имеют эксплуатационные свойства.
Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.
Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей.
Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость.
Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии, развивающейся в ат-мосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины). Количественными показателями жаростойкости являются:
скорость окисления, оценивающая интенсивность изме-нения массы металла (в г/(м2ч)) или скорость роста толщины оксидной пленки на его поверхности (в мкм/ч);
допустимая рабочая температура металла, при которой скорость его окисления не превышает заданного значения.
Коррозионная стойкость - это способность металла противостоять электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности. Количественными показателями коррозионной стойкости являются:
скорость электрохимической коррозии, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м2ч)) или линейных размеров образца (в мкм/ч);
степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.
Для некоторых деталей машин и изделий важное значение имеют физические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков высокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, элект-рические, теплофизические и радиационные.
Среди технологических свойств, главное место занимает технологичность материала - его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудовых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.
Наконец, к последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает эконо-мичность его использования. Ее количественным показателем является оптовая цена - стоимость единицы массы материала в виде заготовок, проката, слитков, порошка, по которой завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным предприятиям.
Механические свойства
Поведение металлов под действием внешних нагрузок характеризуется их механическими свойствами, которые позволяют определить пределы нагрузки для каждого конкретного материала, произвести сопоставимую оценку различных материалов и осуществить контроль качества металла в заводских и лабораторных условиях.
К испытаниям механических свойств предъявляется ряд требований. Температурно-силовые условия проведения испытаний должны быть по возможности приближены к служебным условиям работы материалов в реальных машинах и конструкциях. Вместе с тем методы испытаний должны быть достаточно простыми и пригодными для массового контроля качества металлургической продукции. Поскольку необходимо иметь возможность сопоставления качества разных конструкционных материалов, методы испытаний механических свойств должны быть строго регламентированы стандартами.
Результаты определения механических свойств используют в расчетной конструкторской практике при проектировании машин и конструкций. Наибольшее распространение имеют следующие виды механических испытаний.
1. Статические кратковременные испытания одно-кратным нагружением на одноосное растяжение - сжатие, твердость, изгиб и кручение.
2. Динамические испытания с определением ударной вязкости и ее составляющих - удельной работы зарождения и развития трещины.
3. Испытания переменной нагрузкой с определением предела выносливости материала.
4. Испытания на термическую усталость. Испытания на ползучесть и длительную прочность.
5. Испытания на сопротивление развитию трещины с определением параметров вязкости разрушения.
7.Испытания материалов в условиях сложнонап-ряженного состояния, а также натурные испытания деталей, узлов и готовых конструкций.
а б
Рис. 1.1. Схема машинных диаграмм растяжения пластичных материалов: а – с площадкой текучести, б – без площадки текучести
Наиболее часто проводят испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84). Обычно применяют малый пятикратный образец круглого сечения (диаметр 5 мм, расчетная длина 25 мм). На рис. 1.1. приведены два вида диаграмм растяжения: с площадкой и без площадки текучести в координатах нагрузка Р - удлинение . Диаграмма просто преобразуется в диаграмму в координатах напряжение - относительная деформация . При этом = P/F0; = (/0) 100 %, где Fo, 0 - начальная площадка сечения и длина образца до испытания.
Диаграмма растяжения состоит из трех участков: упругой деформации ОА, равномерной пластической деформации АВ и сосредоточенной деформации шейки ВС.
В области упругой деформации (участок ОА) зависи-мость между нагрузкой Р и абсолютным упругим удлинением образца пропорциональна и известна под названием закона Гука:
Р = k,
где k = EF/ - коэффициент, зависящий от геометрии образца (площади поперечного сечения Fo и длины 0) и свойств ма-териала (параметр Е).
Параметр Е (МПа) называют модулем нормальной упругости, характеризующим жесткость материала, которая связана с силами межатомного взаимодействия. Чем выше Е, тем материал жестче и тем меньшую упругую деформацию вызывает одна и та же нагрузка. Закон Гука чаще представляют в следующем виде:
= Е,
где = P/Fo - нормальное напряжение; = /о - относительная упругая деформация.
При растяжении определяют следующие показатели прочности и пластичности материалов.
Показатели прочности материалов характеризуются удельной величиной - напряжением, равным отношению нагрузки в характерных точках диаграммы растяжения к площади поперечного сечения образца. Дадим определение наиболее часто используемым показателям прочности материалов.
Предел текучести (физический) (т, МПа) - это наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:
т = Рт / F 0 ,
где Рт - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 1.1, а).
Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести (см. рис. 1.1, б), то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.
Условный предел текучести (0,2, МПа) - это напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% от начальной расчетной длины образца:
0,2 = Р0,2 / F0 ,
где Р0,2 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению 0,2 = 0,002 0.
Временное сопротивление (предел прочности) (в, МПа) - это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рmax, предшествующей разрыву образца:
в = Pmax / F0 .
Истинное сопротивление разрыву ( Sк, МПа) - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва Fk:
Sк = Pк / Fк ,
где Fк = nd / 4.
Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Дадим определение наиболее часто используемым показателям пластичности материалов.
Предельное равномерное удлинение (р, %) - это наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или, другими словами, это отношение абсолютного приращения расчетной длины образца р до нагрузки Рmax к ее первоначальной длине (см. рис. 1.1, а):
р = ( р/ 0) 100 = [(p- 0)/ 0 ] 100.
Аналогично предельному равномерному удлинению существует предельное равномерное сужение (р,%):
p = (Fр / F0) 100 = [(F0 - Fp) / F0] 100,
где Fр = nd /4 - площадь поперечного сечения образца, соответствующая Рmax. Из условия постоянства объема образца при растяжении можно получить
р = p / (l + p).
При разрушении образца на две части определяют конечные показатели пластичности: относительное удлинение и относительное сужение образца после разрыва.
Относительное удлинение после разрыва (,%) - это отношение приращения расчетной длины образца после разрыва к к ее первоначальной длине:
= (к / 0)100 = [(к - 0) / 0]100.
Относительное удлинение после разрыва зависит от соотношения 0 и Fo, т. е. от кратности образцов. Чем меньше отношение 0 / и кратность образца, тем больше . Это объясняется влиянием шейки образца, где имеет место сосредоточенное удлинение. Поэтому индекс у указывает на кратность образца, например 2,5 , 5, 10 .
Относительное сужение после разрыва (,%) - это отношение уменьшения площади поперечного сечения образца в месте разрыва Fк к начальной площади поперечного сечения:
= (Fк / F0) 100 = [(Fo – Fк) / F0] 100.
В отличие от конечного относительного удлинения конечное относительное сужение не зависит от соотношения 0 и Fo (кратности образца), так как в последнем случае дефор-мацию оценивают в одном, наиболее узком, сечении образца.
Условно принято считать металл надежным при 15%, 45%.
Наиболее простым методом испытания свойств является измерение твердости. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. Наибольшее примене-ние получило измерение твердости вдавливанием. В результате вдавливания достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Особенность происходящей при этом деформации заключается в том, что она протекает только в небольшом объеме, окруженном недеформированным металлом. В таких условиях испытания, близких к всестороннему неравномерному сжатию, возникают главным образом касательные напряжения, а доля растягивающих напряжений незначительна по сравнению с получаемыми при других видах механических испытаний (на растяжение, изгиб, кручение, сжатие). При измерении твердости вдавливанием пластическую деформацию испытывают не только пластичные сплавы, но и металлы (например, чугун), которые при обычных механических испытаниях (на растяжение, сжатие, кручение, изгиб) разрушаются хрупко почти без макроскопически заметной пластической деформации.
Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения. Я. Б. Фридман предложил рассматривать измерения твердости как «местные механические испытания поверхностных слоев материала». Преимущества измерения твердости следующие:
1. Между твердостью пластичных металлов, определя-емой способом вдавливания, и другими механическими свойствами (главным образом временным сопротивлением), существует количественная зависимость. Величина твердости характеризует временное сопротивление металлов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию (шейку), а именно сталей (кроме сталей с аустенитной и мартенситной структурой) и многих цветных сплавов. Это связано с тем, что при испытаниях на растяжение наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению и отнесенной к его первоначальной площади (временное сопротивление), отвечает сосредоточенная пластическая деформация (образование шейки), а не разрушение образца. Такая пластическая деформация аналогична деформации, создаваемой в поверхностных слоях металла при измерении твердости вдавливанием наконечника.
Подобная количественная зависимость не наблюдается для хрупких материалов, которые при испытаниях на растяжение (или сжатие, изгиб, кручение) разрушаются без заметной пластической деформации, а при измерении твердости получают пластическую деформацию. Однако в ряде случаев и для этих металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью; возрастанию твердости обычно соответствует увеличение предела прочности на сжатие. По значениям твердости можно определять также и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.
2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластич-ности и вязкости. Испытание твердости не требует изготовления специальных образцов и выполняется непосредственно на проверяемых деталях после зачистки на поверхности ровной горизонтальной площадки, а иногда даже и без такой подготовки. Измерение твердости выполняется быстро, например, при вдавливании конуса за 30 - 60 с, а при вдав-ливании шарика за 1-3 мин.
3. Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения проверяемой детали, и после измерения ее можно использовать по своему назначению, в то время как для определения прочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.
4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, также в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способов измерения твердости) десятых долей миллиметра или в микрообъемах металла; в последнем случае измерения проводят способом микротвердости.
Многие способы измерения твердости пригодны для оценки различных по структуре и свойствам слоев металла, например поверхностного слоя цементованной, азотированной или закаленной стали, имеющей разную твердость по сечению детали. Методом определения микротвердости можно измерять также твердость отдельных составляющих в сплавах. Для полной характеристики свойств металла необходимо наряду с измерением твердости проводить остальные механические испытания. Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время как определение характеристик прочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.
Измерение твердости (макротвердости) характеризуется тем, что в испытуемый материал вдавливается тело, проникающее на сравнительно большую глубину, зависящую прежде всего от величины прилагаемой нагрузки и свойств металла. Кроме того, во многих испытаниях вдавливается тело значительных размеров, например стальной шарик диаметром до 10 мм, в результате чего в деформируемом объеме ока-зываются представленными все фазы и структурные составляющие сплава в количествах и с расположением, характерными для измеряемого материала. Измеренная твердость должна в этом случае характеризовать твердость всего испытуемого материала.
Выбор формы, размеров наконечника и величины нагрузки зависят от целей испытания структуры, ожидаемых свойств, состояния поверхности и размеров испытуемого образца. Если металл имеет гетерогенную структуру с крупными выделениями отдельных структурных составляющих, различных по свойствам (например, серый чугун, цветные подшипниковые сплавы), то для испытания твердости следует выбирать шарик большого диаметра. Если же металл имеет сравнительно мелкую и однородную структуру, то малые по объему участки испытуемого металла могут быть достаточно характерными для оценки свойств материала в целом и, в частности, его твердости. В этих случаях испытания можно проводить вдавливанием тела меньшего размера, например алмазного конуса или пирамиды, и на меньшую глубину, и, следовательно, при небольшой нагрузке.
При испытании металлов с высокой твердостью, например закаленной или низкоотпущенной стали, приведенное условие является даже обязательным, поскольку вдавливание стального шарика или алмаза с большой нагрузкой может вызывать деформацию шарика или скалывание алмаза. Однако значительное снижение нагрузки нежелательно, так как это приведет к резкому уменьшению деформируемого объема и может дать значения, не характерные для основной массы металла. Нагрузки и размеры получаемых в материалах отпечатков не должны быть меньше определенных пределов.
У полимерных материалов измерение твердости дает меньше информации об их свойствах, так как между твердостью и прочностью этих материалов нет определенной зависимости. Результаты измерений являются лишь дополнительной характеристикой свойств полимерных материалов.
Значительное влияние на результаты испытаний твердости оказывает состояние поверхности измеряемого материала. Если поверхность неровная (криволинейная или с выступами), то отдельные участки в различной степени участвуют в сопротивлении вдавливанию и деформации, что приводит к ошибкам в измерении. Чем меньше нагрузка для вдавливания, тем более тщательно должна быть подготовлена поверхность. Она должна представлять шлифованную горизонтальную площадку.
Измеряемая поверхность должна быть установлена горизонтально, т. е. перпендикулярно действию вдавливаемого тела. Противоположная сторона образца также должна быть зачищена и не иметь окалины, так как последняя при нагружении образца сминается, что искажает результаты измерения.
Различают следующие методы определения твердости: по Бринеллю (по диаметру отпечатка шарика); по Роквеллу (по глубине вдавливания алмазного конуса или закаленного шари-ка); по Виккерсу (для деталей малой толщины или тонких по-верхностных слоев твердость определяют по диагонали отпе-чатка алмазной пирамиды). Схемы этих методов приведены на рис. 1.2. При испытании на твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012-59) в поверхность материала вдавливается твердо-сплавный шарик диаметром D под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис. 1.2, а). Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности сферического отпечатка М:
HB = =
.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.
Временное сопротивление и число твердости по Бринел-лю связаны между собой: для стали в = 0,34 HB, для медных сплавов в = 0,45 HB, для алюминиевых сплавов в = 0,35 HB.
а
Рис. 1.2. Схема определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу
При испытании на твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако, согласно этому методу, за условную меру твер-дости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис. 1.2, б. Вначале прикладыва-ется предварительная нагрузка Р0, под действием которой индентор вдавливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка Р1 под действием которой индентор вдавливается на глубину h. После этого снимают нагрузку Р1, но оставляют предварительную нагрузку Р0 . При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h0. Разность (h - h0) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность.
Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определенное методом Роквелла, обозначается символом HR. Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, или С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений. Обозначения твердости и значения нагрузок вдавливания для разных шкал измерений методом Роквелла приведены ниже:
Шкала................ А С В
Индентор.......... Алмазный Алмазный Стальной
конус конус шарик
Обозначение
твердости HRA HRC HRB
Нагрузи вдавливания,
кгс (Н): Ро 10(98,1) 10(98,1) 10(98,1)
P1 50(490,5) 140(1373,4) 90(882,9)
Р 60(588,6) 150(1471,5) 100(981)
Различие в нагрузке Р1 для шкал А и С объясняется тем, что по шкале А измеряют твердость особо твердых материалов и в этом случае во избежание повреждений алмазного конуса рекомендуется меньшая нагрузка вдавливания.
Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.
а б
в
Рис. 1.3. Образцы для испытаний на ударную вязкость: а - с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом; в – с Т-образным надрезом
Согласно ГОСТ 9454-78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 1.3, а) , V-образным (рис. 1.3, б) и Т-образным (инициированная трещина) надрезами (рис.1.3, в)
Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре. Схема испытаний приведена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема испытаний на ударную вязкость: 1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец
Ударная вязкость КС, Дж/см2, определяется как отношение работы разрушения К, затраченной на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, к начальной площади поперечного течения образца в месте надреза So по формуле:
КС = K / S0.
Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж / м2 Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV), если с Т-образным надрезом, то добавляется буква Т (KCT).
Обычно снижение ударной вязкости ниже 40 Дж / м2 (3-4 ) значительно увеличивает опасность хрупкого разру-шения, поэтому одним из условий надежной работы материала является значение ударной вязкости KCU 50 Дж /м2.
Хладноломкостью называют способность некоторых металлов охрупчиваться при низких температурах. К хладно-ломким металлам можно отнести металлы с решеткой объемно-центрированного куба, например Fea, и гексагональной, напри-мер Zn. Для этой группы металлов при определенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости.
К нехладноломким металлам можно отнести металлы с решеткой гранецентрированного куба, например Fer, Al, Ni и др.
Деление металлов на хладноломкие и нехладноломкие является условным, так как, например, аустенитные стали, име-ющие решетку гранецентрированного куба, тоже подвержены охрупчиванию, но только в меньшей степени и при более низких температурах, чем углеродистые и низколегированные стали, имеющие решетку объемноцентрированного куба.
Испытания на ударную вязкость при низких темпера-турах позволяют получить хрупкое разрушение металла в ре-зультате одновременного действия надреза, повышенной ско-рости деформирования и температуры. На рис. 1.5, а пред-ставлено температурное изменение ударной вязкости хладно-ломкой стали. Как видно из рисунка, снижение ударной вяз-кости происходит в некотором интервале температур. Внутри этого интервала могут быть хрупкие и вязкие изломы.
Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению «порог хладноломкости». Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости Ткр. Количественно критическую температуру хрупкости можно определить по температуре, соответствующей началу порога хладноломкости (рис. 1.5, а, точка 1), концу порога хладноломкости (рис. 1.5, а, точка 3) и по заданному значению ударной вязкости КС2 (рис. 1.5, а, точка 2).
а б
Рис. 1.5. Схема низкотемпературного изменения ударной вяз-кости (а ) и волокнистости в изломе ударного образца (б)
Критическую температуру хрупкости можно определить и другим способом - по характеру строения излома. Вязкий излом имеет волокнистое, а хрупкий - кристаллическое строе-ние. При переходе из вязкого состояния в хрупкое доля волок-нистого строения в изломе уменьшается, а кристаллического – увеличивается. Изменение доли волокнистого строения при температурах хладноломкости также имеет вид порога. За критическую температуру хрупкости принимают температуру, соответствующую равным долям волокнистого и кристалл-лического изломов. На рис. 1.5, б доля волокнистого излома обозначена через В и оценивается в процентах. Для определения Ткр на пороге хладноломкости находят точку, соответствующую В = 50%, опускают перпендикуляр на ось температур и находят Ткр .
Механические свойства резины определяют по результатам испытаний на растяжение и на твердость. При вдавливании тупой иглы или стального шарика диаметром 5 мм по величине измеренной деформации оценивают твердость. При испытании на растяжение определяют прочность z(МПа), относительное удлинение в момент разрыва z (%) и остаточное относительное удлинение z(%). Величина Z = -произведение упругости, характеризует прочность и эластичность.
В процессе эксплуатации под воздействием внешних факторов (свет, температура, озон, кислород, радиация и др.) резины изменяют свои свойства - стареют. Старение резин оценивают коэффициентом старения Кстар, который определяют, выдерживая стандартизованные образцы в термостате при температуре -70 °С в течение 144 ч, что соответствует естественному старению резины в течение 3 лет:
К стар = ,
где Z, и Z2 - произведение упругости резины до и после старения.
Морозостойкость резины определяется температурой хрупкости tхр , при которой резина теряет эластичность и при ударной нагрузке разрушается хрупко.
Для оценки морозостойкости резин используют коэффициент Км , равный отношению удлинения (м ) образца при температуре замораживания к удлинению (0 ) при комнатной температуре:
Км = .
Испытания долговечности
Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения - совокупность изменения напря-жений между двумя его предельными значениями max и min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании соп-ротивления усталости материала за основной принят синусо-идальный цикл изменения напряжения (рис. 1.6.). Он харак-теризуется коэффициентом асимметрии цикла R = min / max; амплитудой напряжения a = ( max - min) / 2; средним напряжением цикла m = ( max + min)/2.
Рис. 1.6. Синусоидальный цикл изменения напряжений
Различают симметричные циклы (R = -1) и асим-метричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.
Долговечность металлов определяется испытаниями на усталость, ползучесть и длительную прочность, износ, коррозию и другими методами.
Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Усталостью металла называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок. Усталостное разрушение происходит, например, у пружин автоматики, деталей кулачковых механизмов, и т.д., работающих в режимах «нагружение - разгрузка», «растяжение - сжатие»; при многократном повторении ударных или плавно возрастающих нагрузок. У валов, передающих крутящий момент, материал которых испытывает изгиб с вращением, происходит многократное изменение знака напряжений (растяжение - сжатие) и т.д. Около 80% всех разрушений носят усталостный характер. Усталостное разрушение имеет ряд характерных признаков. Усталостный излом (рис. 1.7) состоит из зоны с ровной и блестящей поверхностью, которая включает в себя: место зарождения разрушения и зону стабильного развития трещины (1); участок развития трещины (З); связанный с окончательным разрушением. Очаг разрушения обычно расположен вблизи поверхности. В зоне усталости нередко можно видеть полосы, расходящиеся от очага разрушения (усталостные бороздки) и отражающие последовательное положение растущей трещины (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Излом усталости: 1 – зона очага разрушения; 2 – зона стабильного развития трещины; 3 – зона долома; 4 – усталостные бороздки
Характерно, что усталостное разрушение развивается в деталях, работающих при напряжениях, меньших предела текучести металла. Образование усталостной трещины связано с реальным строением металлов - наличием различно ориентированных зерен и блоков, неметаллических включений, микропор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки.
Трещины являются сильными концентраторами напряжений, и из них образуются микротрещины, далее соединяющиеся в общую усталостную микротрещину, постепенно распространяющуюся на сечение. Разрушение происходит в результате возрастания напряжения в оставшейся зоне сечения.
Таким образом, усталость - процесс постепенного накопления повреждения металла под действием повторных переменных напряжений, приводящих к образованию трещин и разрушению.
Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.
Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, под которым понимают максимальное напряжение, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов (физический предел выносливости) или заданном числе циклов (ограниченный предел выносливости). Предел выносливости при симметричном цикле обозначается -1
Методика проведения испытаний материалов на усталость регламентирована ГОСТ 25.502 - 79. Для определения предела выносливости испытывают не менее 15 образцов. Каждый образец испытывают только на одном уровне напряжений - до разрушения или до базового числа циклов. По результатам испытаний отдельных образцов строят диаграммы усталости в координатах максимальное напряжение - число циклов (рис. 1.8.).
Переход кривой усталости в горизонталь наблюдается обычно на сталях после 107 циклов нагружения. Для цветных сплавов это значение составляет обычно 108 циклов нагружения. Ордината, соответствующая постоянному значению max, является физическим пределом выносливости.
Предел выносливости, т.е. сопротивление усталостному разрушению, резко снижается при наличии концентраторов напряжений. Чем тщательнее обработана поверхность детали, тем выше предел выносливости. По сравнению с полированными образцами шлифованные имеют -1 на 10 - 15%, а фрезерованные на 45 – 50% ниже.
Рис. 1.8. Диаграмма усталости в различных координатах для материалов, имеющих (1) и не имеющих (2) физического предела выносливости
Термической усталостью называют усталость металлов, вызванную напряжениями от циклических колебаний температуры. Термическая усталость отличается от силовой меньшим числом циклов и сравнительно высоким уровнем напряжений.
В холодильной и криогенной технике температурные градиенты и соответствующие термические напряжения могут возникать из-за нагрева или охлаждения конструкций при заполнении или сливе охлаждающей жидкости, при попадании криогенных продуктов на относительно теплую поверхность металла емкостей, трубопроводов, деталей арматуры, могут быть вызваны различием теплофизических свойств, входящих в конструкцию деталей из разных материалов. Особенно опасно многократное наложение термических напряжений на напряжения от внешних нагрузок. Кроме того, некоторые металлы могут претерпевать структурные превращения при охлаждении. Все это может явиться причиной преждевременного разрушения детали.
Многие детали должны работать под нагрузкой в течение длительного времени при определенной температуре. При этом происходит медленная пластическая деформация металла под действием постоянной нагрузки, создающей в детали напряжения, превышающие предел упругости, но меньшие, чем предел текучести материала детали при данной температуре. Такая деформация называется ползучестью.
Различают ползучесть при высоких и низких темпе-ратурах. Более подробно изучена высокотемпературная ползу-честь. При деформации нагретого металла в нем развиваются два противоположных процесса: упрочнение за счет наклепа при пластической деформации и разупрочнение в результате наг-рева. Если второй процесс преобладает, то в металле начинают развиваться диффузионные разупрочняющие процессы - отдых, коагуляция фаз, рекристаллизация, способствующие ползучести. Если при высоких температурах ползучесть происходит в ре-зультате диффузионных процессов, то при низких температурах она осуществляется за счет движения и размножения дислокаций, имеет термоактивизированную природу и зависит от ряда факторов, из которых наибольшую роль играют температура испытаний и структура металла.
Основными критериями жаропрочности металлов являются предел длительной прочности и предел ползучести.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое приводит к разрушению образца при заданной темпера-туре за определенное время, соответствующее условиям экс-плуатации изделий. Предел длительной прочности обозначают , где индексы t и обозначают температуру и время испы-таний: например,
= 300 МПа означает, что длительная прочность металла при испытании в течение 200 ч при 700 °С составляет 300 МПа.
Кривая ползучести состоит из четырех участков (рис. 1.9). Участок ОА соответствует упругой и пластической дефор-мации, возникшей в момент приложения нагрузки. Участок АВ характеризует неустановившуюся ползучесть, где металл дефор-мируется с неравномерной скоростью, участок ВС – установив-шуюся ползучесть и участок CD - ускоренное разрушение, связанное с образованием шейки.
а б
Рис. 1.9. Кривые длительной прочности (а) и ползучести (б)
Пределом ползучести называют напряжение, вызы-вающее заданную суммарную деформацию за определенное время при данной температуре. Предел ползучести обозначают , где t - температура, - суммарное удлинение, - время. Например,
= 350 МПа означает, что предел ползучести металла при1 %-й деформации за 1000 ч при температуре испытаний 400°С составляет 350 МПа. Для деталей, длительное время работающих при повышенных температурах, задается обычно скорость ползучести на установившейся стадии процесса, например 0,1 % за 104 ч или за 105 ч.
Таблица 1.1.
Обозначения основных механических свойств по отечественным
и зарубежным стандартам
Свойства | Обозначение, стандарт | Определение | |
отечест- венный | зару- бежный | ||
Модуль упругости (elastic modulus) | Е | Е | Отношение приращения напряжения к соответ-ствующему приращению удлинения в пределах упругой деформации |
Предел текучести физический | Re | Напряжение, при котором материал изменяет свою длину при постоянной нагрузке | |
Предел текучести условный (yield strength) | 0,2 | Rp0.2 | Напряжение для мате-риалов, не имеющих площадки текучести, при котором остаточное удлинение составляет 0,2% первоначальной длины |
Временное сопротивление, или предел прочности (tensile strength) | в | Rm | Напряжение, соответ-ствующее наибольшей нагрузке, предшеству-ющей разрушению образца |
Относительное удлинение (specific elongation) | А5,А10 | Отношение приращения расчетной длины образца после разрушения к начальной расчетной длине, % | |
Относительное сужение (reduction of area) | Z | Отношение разности первоначального сече-ния и минимальной площади поперечного сечения образца после разрушения к первона-чальной площади, % | |
Предел ползучести (creep limit) | ![]() ![]() ![]() ![]() | R ![]() | Пример: напряжение, которое вызывает де-формацию 0,2% за 100 ч при 700°С |
Предел длительной прочности (stress-rupture strength) | ![]() | R ![]() | Пример: напряжение, вызывающее разруше-ние металла за 1000 ч испытаний при постоян-ной температуре 700°С |
Предел выносливости (fatigue strength) | R | к, к | Максимальное напря-жение, которое вы-держивает материал не разрушаясь при дос-таточно большом числе повторно – переменных нагружений (циклов) |
Условия эксплуатации многих изделий, работающих при низких температурах, предусматривают их длительную безаварийную работу (более 10 лет) под нагрузкой. В таких изделиях, как резервуары и емкости для хранения и транспортировки криогенных жидкостей, обладающих повышенным запасом упругой энергии в системе, деформация, обусловленная ползучестью, может способствовать значи-тельному росту напряжений в отдельных зонах конструкции. При этом, учитывая действие низких температур эксплуатации, существенно усиливается опасность хрупкого разрушения. При низкотемпературных испытаниях ползучести необходимая температура создается за счет того, что образец находится в среде охлаждающей жидкости, а постоянное нагружение передается на образец через верхний или нижний захват испытательной машины.
В табл. 1.1. приведены отечественные и зарубежные обозначения основных механических свойств и их наименования на русском и английском языке.
Изнашивание металлов
При трибологических испытаниях (испытаниях на износ, износостойкость) основными понятиями являются изнашивание, износ и износостойкость.
Изнашиванием называется процесс постепенного измене-ния размеров, формы или состояния поверхности образца или детали вследствие разрушения поверхностного слоя в процессе трения.
Износ - результат изнашивания, определяемый с по-мощью количественной оценки процесса изнашивания.
Износостойкость (wear resistance) - способность мате-риалов или деталей сопротивляться изнашиванию в условиях внешнего трения.
К механическому изнашиваниюотносят абразивное, гидроабразивное, газоабразивное, эрозионное, кавитацонное и усталостное изнашивание.
Абразивное изнашивание материала происходит в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц. Абразивные частицы - это частицы пыли, песка, грязи. Они попадают между контактирующими поверхностями со смазкой или из воздуха, а также могут появиться в результате развития других видов изнашивания. Абразивное изнашивание является типичным для многих деталей горных, буровых, строительных, дорожных, и других машин, работающих в средах, содержащих абразивные частицы. Скорость изнашивания высока: 0,1- 100 мкм/год.
Изнашивание, происходящее в результате воздействия твердых тел или частиц, увлекаемых потоком жидкости, называют гидроабразивным изнашиванием. Оно характерно для мешалок и импеллеров реакторов, колес и корпусов насосов, шнеков и т.д.
Если абразивные частицы увлекаются потоком газа (в дымоходах), то вызываемое им изнашивание называют газоабразивным изнашиванием.
Эрозионное изнашивание происходит в результате воздействия потока жидкости или газа на поверхность.
Под кавитационным изнашиванием понимают изнашивание поверхности при относительном движении твердого тела в жидкости в условиях кавитации. В условиях кавитации работают гребные винты, гидротурбины, трубопроводы, детали машин, подвергающиеся водяному охлаждению.
При образовании продуктов химического взаимодействия металла со средой возникает коррозионно-механическое изнашивание. При длительном трении сопряженных поверхностей в случае нормального износа окислительное изнашивание наблюдается в подшипниках скольжения, валах, втулках, поршневых колесах и т.д.
В результате одновременного механического воздействия и воздействия молекулярных и атомных сил наступает изнашивание, получившее название молекулярно-механического. К нему следует отнести изнашивание при заедании. Это результат схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность. Такие повреждения возникают там, где между поверхностями контакта исчезают разделяющие их смазочные слои, адсорбированные пленки жира, влаги, газов, оксидные пленки и др. Тогда эти поверхности под действием нагрузки сближаются на расстояние межатомного взаимодействия.
Изнашивание при заедании наблюдается на зубчатых колесах, подшипниках скольжения и т.д.
Слой смазки устраняет непосредственный контакт двух поверхностей, благодаря чему не только уменьшаются силы трения, но создаются условия для устранения или уменьшения износа поверхностей. Смазка предотвращает схватывание при трении и обеспечивает хорошую прирабатываемость.
Для многих сталей с повышением твердости относительная износостойкость возрастает. Повышение износостойкости стали достигается химико-термической обработкой, упрочнением поверхности путем механического наклепа или наплавки, образованием промежуточных пленок, предотвращающих непосредственный металлический контакт (фосфатирование, суль-фацианирование и др.). Износостойкость изделия зависит как от свойств материала, так и от условий трения.
Физико-химические свойства материалов
Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учитывают при практическом использовании материалов, являются плотность, теплоемкость, теплопро-водность, тепловое расширение, электропроводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов, выделили их в группы материалов исключительной ценности - ферро- и ферримагнетики.
Физические свойства определяются типом межатомной связи и химическим составом материалов, температурой и давлением. Для большинства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.
При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Приближенно они характеризуются соответствующими температурными коэффициентами. Например, удельное электросопротивление при нагреве на Т определяется зависимостью:
т = 0 (1 + Т),
где 0, т - удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур Т; - температурный коэффициент. Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.
Плотность существенно зависит от типа межатомной связи. Максимальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлическими или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределяет менее плотное расположение атомов.
У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см3 у осмия до 0,534 г/см3 у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими — уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями. Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.
Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критериев качества. Пористость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами. Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного машиностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.
Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности B / g и удельной жесткости E / g. По этим характеристикам первое место занимают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.
При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения.
Тепловое расширение - это изменение объема (линейных размеров) тела при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несим-метричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния.
Для практических целей пользуются средними значениями коэффициентов объемного и линейного расширения:
v =
; =
,
где V, - объем и длина образца соответственно; V, - изменения объема и длины при повышении температуры на T.
В общем случае:
= 1 + 2 + 3,
где 1; 2 и 3 - соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла .
Различие значений коэффициента теплового расширения двух соединяемых материалов является причиной появления значительных термических напряжений. Согласование значений при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в стекла. Получаемые спаи отличаются простой конструкции и надежностью в эксплуатации.
Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовления аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуатации машин и приборов в изменяющихся температурных полях.
Теплопроводностью называется перенос тепловой энергии в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности частиц. Перенос теплоты происходит от более горячих частиц к холодным и подчиняется закону Фурье:
q = - gradT,
где q - плотность теплового потока, Дж/м2с; - теплопроводность, Вт/(мК).
Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.
Механизм передачи теплоты в первую очередь определяется типом связи: в металлах теплоту переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи - фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концентрации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят теплоту, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеивают фононы и увеличивают электросопротивление.
Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше искажена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Легирование вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом - основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные смеси нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной структуры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.
Теплопроводность пористых керамических и металлических материалов независимо от типа межатомной связи и можно оценить по формуле:
пор (1 - р),
где - теплопроводность беспористого материала, Вт/(мК); р - доля пор в объеме пористого материала.
Теплоемкость - это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость - количество энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус. У большинства металлов теплоемкость составляет 300 - 400 Дж / (кг К) и более. Теплоемкость металлических материалов растет с повышением температуры.
Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж / (кг К) и более.