загрузка...
загрузка...
На головну

Поняття про конструкційної міцності металів

  1. D. Модальність суджень, або судження, соотносящие поняття з наявним буттям
  2. I. НАУКОВЕ ПОНЯТТЯ ФАБРИКИ
  3. I.2.1) Поняття права.
  4. II. Позови 1. Поняття і види позовів
  5. II. ПОНЯТТЯ
  6. II. Поняття частоти випадкової події. Статистичне визначення ймовірності.
  7. II.5.1) Поняття і система магістратур.

конструкційна міцність - Це комплекс властивостей, що забезпечують тривалу і надійну роботу виробу в конкретних умовах експлуатації.

Вона об'єднує такі поняття як міцність (опір матеріалу пластичної деформації), надійність (опір матеріалу крихкому руйнуванню) і довговічність (здатність матеріалу працювати протягом заданого часу). Залежно від умов експлуатації виробів, в комплексі характеристик, що визначають конструкційну міцність, превалюють ті чи інші властивості і їх поєднання.

Так, в умовах статичного навантаження критеріями міцності є межа плинності - ?0.2, МПа (мегапаскалей) (напруга, при якому залишкова пластична деформація становить 0,2%) і тимчасовий опір (межа міцності) - ?в, MПа. Визначають ці характеристики при випробуваннях на розтяг, стиск, вигин, крутіння шляхом аналізу кривих, побудованих в координатах «навантаження - деформація», званих кривими деформації.

Механічні властивості, встановлені випробуванням на розтягання, не можуть служити достатньою характеристикою міцності металів через значні відмінності між умовами випробувань і роботи в реальній машині. Найбільш повно конструкційна міцність металів може бути виявлена ??при проведенні крім механічних, проведенням ще стендових, натурних і експлуатаційних випробувань.

Поняття надійності (опору руйнуванню) і довговічності (здатності руйнуватися за багато акти навантаження) існують стосовно і до металів.

надійність оцінюється по ударної в'язкості (КСU, або ak, МДж / м2), Т. Е. По роботі руйнування матеріалу і по тріщиностійкості - К1с, МПа ? мм1/2 або, іншими словами, здатності матеріалу протистояти розвитку тріщин.

довговічність- Властивість матеріалу чинити опір розвитку поступового руйнування, забезпечуючи працездатність деталей протягом заданого ресурсу. Причини втрати працездатності різноманітні: розвиток втоми, зношування, повзучості, корозії та ін. Работоспо-ність конструкційних матеріалів залежить від умов їх експлуатації і характеризується такими параметрами, як: опір повзучості (Під навантаженнями при високих температурах), опір втоми (При циклічних навантаженнях) і опір зносу (стирання при терті дотичних поверхонь).

Визначення всіх перерахованих вище характеристик проводиться шляхом проведення спеціальних випробувань

1/3

/ міцність - Це властивість твердих тіл чинити опір руйнуванню, а також необоротної зміни форми під впливом зовнішніх сил. Тому збільшення міцності надають першочергового значення, прагнучи одночасно забезпечити і достатню пластичність.

теоретична міцність металів виражається формулою

?теор= G / 2p,

де G-модуль зсуву, який представляє собою коефіцієнт пропорції-нальності між дотичним напруженням ? і відносним зсувом ?.

Числові значення модуля зсуву G наступні: для заліза - 77 000 МПа, для міді - 44 000 МПа, для алюмінію-27000 МПа.

Технічна міцність металів, що визначається значеннями механічні-ких властивостей ?в, ?т і ін., значно менше теоретичної. Фактична міцність зменшується головним чином внаслідок наявності в металі недосконалостей (дефектів).

Підвищити міцність металу - значить продовжити життя машин, облад-нання, зменшити їх масу, поліпшити надійність, підвищити довговічність, економічність і знизити металоємність.

На рис. 1. 32пріведени методи, використовувані в практиці для вище-ня міцності металів і сплавів. Всі сучасні методи зміцнення металів спрямовані на створення умов гальмування дислокацій за рахунок збільшення їх щільності, взаємо-дії дислокацій з атомами легуючих елементів, подрібнення блоків, утворення дисперсних частинок карбідів, нітридів і т. П. До найбільш прогресивним методам зміцнення відносять легування, термічну і термомеханічну обробки, деформаційне зміцнення і ін.

Міцність металів може бути підвищена за рахунок створення бездефектних структур. Наприклад, майже бездислокаційних ниткоподібні кристали (вуса) заліза мають міцність ?в= 13000 МПа, а технічне залізо - тільки 300 МПа. Другим фактором підвищення міцності металів є збільшення кількості (підвищення щільності) різних дефектів, в тому числі і дислокацій (про це див. Розділ 4, с.44).

Мал. 1.32. Класифікація методів зміцнення металів

Розглянемо два випадки впливу легування на міцність металів.

Перший - коли в результаті взаємодії легуючого елемента з основним металом утворюється твердий розчин на базі решітки основного металу.

Другий - коли легування приводить до утворення нової, більш міцної фази. Якщо ця фаза виділяється у вигляді сітки на межі зерен або у вигляді скелетообразного каркаса, то такий розподіл другої фази знижує в'язкість і пластичність матеріалу. У разі високої крихкості другої фази, розташованої по межах зерен, створюються умови для прискореного поширення тендітних тріщин в матеріалі. Переважно, коли друга фаза розташовується у вигляді рівномірно розподілених дисперсних частинок.

Можливість застосування термічній обробки визначається в основному типом діаграм стану і залежить від раство-рімості легуючих елементів в металі - основі, а також аллотропических перетворень в металах. Існує багато способів зміцнення за рахунок термічної обробки, які відрізняються один від одного температурою нагріву і умовами охолодження. Як приклад можна привести результати термічної обробки вуглецевої сталі з вихідної твердістю 150 ... 200 НВ. Після термічної обробки (загартування) її твердість збільшується в 2,5 ... 3 рази.

Хіміко-термічна обробка є одним з методів поверхневого зміцнення сталі. При цьому змінюється хімічний склад, будова і властивості поверхневого шару металу. В результаті такої обробки підвищуються твердість, межа витривалості, зносостійкість, контактна міцність і ін. Наприклад, відомо, що багато деталей машин і механізмів (зубчасті колеса, вали, поршневі пальці, черв'яки, ролики підшипників і ін.) Працюють в умовах зносу і ударних навантажень. Для таких деталей потрібні тверда зносостійка поверхня і порівняно м'яка серцевина.

Зміцнення пластичною деформацією (обкатка роликами, обдування дробом і ін.) Використовують головним чином в тих випадках, коли сплави з яких-небудь причин не можуть бути зміцнені термічною обробкою.

Високу міцність при достатній пластичності можна отримати при термомеханічної обробці, яка полягає в тому, що в єдиному технологічному процесі поєднуються деформація і гарт. У ряді випадків при цьому поряд з підвищенням тимчасового опору sВ при розтягуванні значно збільшується межа плинності sТ (В 1,5 ... 2 рази).

Для зміцнення сплавів останнім часом використовують такі методи, як ультразвукова обробка, магнітна обробка, опромінення частинками високої енергії, лазерна обробка, високі тиску, іонна імплантація і т. Д.

Одним із шляхів підвищення міцності є отримання компози-ційних і багатошарових матеріалів, а також отримання матеріалів методами порошкової металургії.

За прогнозами матеріалознавців в найближчі роки можуть бути створені спеціальні сплави і сталі з межами міцності 3500 ... 6000 МПа, а легкі сплави -1000 ... 1500 МПа, що значно наблизить їх технічну міцність до теоретичної.

?

Будова сплавів. Металевий сплав отримують: сплавом двох або більше металів; сплавом переважно металів з неметалами; спеканием порошків декількох металів, а також ін. методами (наприклад, гідролізом). Отримане з'єднання володіє вищими властивостями, ніж чисті метали.

сплавами називають складні за складом металеві речовини, що утворилися в результаті кристалізації розплаву двох або більше хімічних елементів. Елемент, що входить до складу сплаву, називається компонентом. Компонент, що переважає в сплаві кількісно, ??називається основним. Компоненти, що вводяться в сплав для додання йому потрібних властивостей, називаються легирующими. Сукупність компонентів сплаву називається системою.

Сплави класифікують:

- По числу компонентів-на подвійні (бінарні), потрійні, четверні і багатокомпонентні;

- По основному елементу-залізні, алюмінієві, магнієві, титанові, мідні і т. Д .;

-по застосуванню-конструкційні, інструментальні, жаро- міцні, антифрикційні, пружинні, шарікоподшипниковиє і т. д .;

- По щільності-важкі (на основі вольфраму, ренію, свинцю і ін.), Легкі (алюмінієві, магнієві, берилієві та ін.);

- По температурі плавленія- тугоплавкі (сплави на основі ніобію, молібдену, танталу, вольфраму та ін.), Легкоплавкі (припої, бабіти, друкарські сплави і т. Д.);

- За технологією виготовлення напівфабрикатів і виробів-ливарні, деформуються, спечені, гранульовані, композиційні і т. Д.

Залежно від взаємодії компонентів і від співвідношення масових кількостей їх сплави після затвердіння з рідкого стану можуть утворювати:

- Механічні суміші;

- Тверді розчини і

- Хімічні сполуки.

механічні суміші утворюються, коли з рідкого розплаву одночасно випадають кристали складових його компонентів. При утворенні механічних сумішей компоненти не здатні до взаємного розчинення в твердому стані або мають досить обмеженою розчинністю. Механічні суміші можуть складатися з кристалітів чистих компонентів, твердих розчинів і хімічних сполук. При утворенні механічної суміші кристалічні решітки фаз не змінюються.

фазою називають однорідну частину системи, відділену від інших частин системи (фаз) поверхнею розділу, при переході через яку хімічний склад або структура змінюються стрибкоподібно. Помічено, що механічні суміші утворюють метали, що відрізняються один від одного атомними обсягами і температурою плавлення.

твердий розчин утворюється тоді, коли кристали сплаву містять одночасно декілька компонентів, які можуть входити до складу кристалів в довільних вагових кількостях. При утворенні твердих розчинів кристалічна решітка розчинника зберігається, змінюються тольк її параметри. Тверді розчини можуть бути з обмеженою і необмеженою розчини-мостью компонентів в твердому стані.

Встановлено, що якщо кристалічні решітки компонентів однакові і атомні розміри відрізняються не більше ніж на 15%, то такі компоненти утворюють тверді розчини.

За типом розташування атомів розчинного елемента тверді розчини діляться на дві групи - заміщення і впровадження. На рис. 1.34, а показана крісталлліческая решітка твердого розчину заміщення.

атоми компонента А частково заміщають атоми компонента В (Основного металу). У твердих розчинах впровадження атоми розчиненої речовини А розташовуються в проміжках кристалічної решітки між атомами розчинника В (Рис. 1.34, б). Найчастіше твердий розчин впровадження утворюється коли в металі розчиняються такі неметалеві елементи, як кисень, водень, азот, вуглець, які утворюють з металами оксиди, гідрати, нітриди, карбіди.

 Мал. 1.34. Схеми утворення твердих розчинів: а - заміщення;б - впровадження

Компоненти входять в склад хімічної сполуки в строго визна-лених співвідношеннях. Освіта хімічної сполуки супроводжується виникненням нової кристалічної решітки. Властивості хімічної сполуки різко відрізняються від властивостей елементів, що утворюють його. Хімічна сполука, як правило, утворюється елементами, розташований-ними далеко один від одного в таблиці Д. І. Менделєєва, т. Е. Істотно розрізняються за своєю будовою і властивостями.

Всі тверді тіла, які нам зустрічаються в природі діляться на аморфні та кристалічні. До аморфних твердих тіл можна віднести скло, каніфоль, ебоніт і інші. Вони мають безладне, хаотичне розташування атомів або молекул. Метали і їх сплави в залежності від швидкості охолодження при кристалізації також ділять на аморфні та кристалічні.

Аморфний метал виходить при швидкостях охолодження 106... 107 ° С / с і більше у вигляді тонких стрічок або дрібних частинок (гранул). Атоми при цьому не розташовуються в правильному порядку, не утворюють кристалів. Аморфне тверде тіло є ізотропним, т. Е. Має однаковими властивостями у всіх напрямках. Крім того, йому властиві висока твердість, корозійна стійкість і інші властивості. Якщо таке тіло нагріти до певної температури, яка призведе до значного підвищення теплової активності атомів, то аморфний стан його перейде в кристалічний. Можна отримати і змішану структуру: аморфна основа і утворилися в ній кристали.

металами називаються хімічні елементи, характерними ознаками яких є непрозорість, блиск, хороша провідність тепла і електричного струму, а для багатьох металів також гнучкість і здатність зварюватись. Метали і їх сплави мають кристалічну структуру, що характеризуються закономірним, упорядкованим розташуванням атомів. Атоми складаються з позитивно заряджених ядер, навколо яких з різних орбітах обертаються електрони. На останній зовнішній орбіті число атомів невелика і вони одночасно належать цілої сукупності атомів і утворюють «електронний газ». Завдяки цим електронам метали мають високу тепло- і електропровідністю.

Метали відносяться до твердих кристалічних тілах, які мають впорядковане взаємне розташування атомів. Якщо через центри сусідніх атомів провести три взаємно-перпендикулярні прямі, то вони, перетинаючись утворюють елементарну геометричну фігуру, яку називають елементарною клітинкою або кристалічною решіткою (рис. 1.2).

Просторове розташування атомів в кристалічних речовинах можливо більш ніж в двохстах різних комбінаціях. Однак в кристалографії (науці про кристалах) розглядають тільки 14 типів елементарних осередків. Їх також називають просторовими гратами Браве, як геометричній характеристики приймаються три ребра комірки (а, в, с) І три кути між ними (?, ?, ?).

Найбільш часто метали мають кристалічні решітки наступних типів: кубічну об'ємно-центровану (атоми в кутах і в центрі куба) мають натрій, хром, вольфрам, ванадій, залізо і ін. (а = 0,287 ... 0,889 нм = 2,87 ... 8,89 A), а 1 A = 10-8 См; гранецентрированную (атоми по кутах куба і в центрі кожної грані) мають алюміній, кальцій, нікель, мідь, срібло  = 3,6 ... 4,9 A); гексагональную (атоми в кутах і центрі шестигранних підстав призми і три атома в середній площині призми) мають магній, цинк, титан, берилій та ін. (а = 2,26 ... 3,2 A); (с = 3,59 ... 5,6 A).

Кристалічна решітка може бути представлена ??на площині (плоска кристалічна решітка) або в просторі (просторова кристалічна решітка). У плоскій кристалічній решітці атоми заповнюють площину, утворюючи паралельні ряди (рис.1.1). Сукупність цих рядів і утворюють плоску кристалічну решітку. Багаторазове відтворення плоскої решітки Браве паралельно самій собі призводить до зображення просторової ґрати. Для зручності атоми умовно малюють невеликими гуртками (рис.1.1,б), Хоча в дійсності атоми (іони) торкаються один одного (рис.1.1, а).

 Ріс.1.1- Плоска кристалічна ре-шётка: а - дійсне розташування ато-мов; б - умовне зображені ження.

Розташування атомів в кристалічній решітці і її параметри а и с визначають методом рентгеноструктурного аналізу з точністю до 3 ... 5 знаків після коми.

 Мал. 1.2. Елементарні кристали-етичні решітки:а - Кубічна об'емноцентріро-ванна; б - Кубічна гранецен-трірованная;в - Гексагональна плотноупак-ванна

Основні характеристики кристалічних решіток представлені в табл.1

Таблиця 1

Типи кристалічних решіток найважливіших металевих елементів

 Тип решітки  координаційне число  коефіцієнт компактності  метал
 ГЦКОЦКГП  Аg, Аu, Рt, Сu, А1, РЬ, Ni ... Nа, К, V, NЬ, Сг, Мо, W ... Ве, Мg, Zn, Cd, Re, Hf, Os ...

густина різних кристалічних решіток різна і характеризується координаційним числом К, під яким розуміють число атомів, що знаходяться на рівному і найменшій відстані від даного атома. Координаційне число для кубічної об'емноцентрірованной (ОЦК) решітки дорівнює восьми (К8), коефіцієнт заповнення (відношення обсягу, зайнятого атомами, до обсягу всієї комірки) дорівнює 68%. Для гранецентрированной (ГЦК) І гексагональної (ДП) кристалічних решіток координаційне число дорівнює дванадцяти (К12), а коефіцієнт заповнення - 74%.

координаційне число дає уявлення про характер розподілу сил взаємозв'язку між атомами. Воно визначається за кількістю прилеглих атомів до будь-якого атома кристалічної решітки. Крім того, чим більше К, тим щільніше грати.

Їм параметром, що характеризує грати є базис, Під яким розуміється число атомів формально припадають на одну кристалічну решітку. На кожну елементарну комірку ОЦК решітки доводиться 1/8 ? 8 + 1 = 2 атома. Тут 8 атомів ОЦК решітки розташовуються по вершинах куба, які належать одночасно восьми елементарним осередкам, і один атом - в центрі куба, належить тільки цьому осередку. Аналогічно для ГЦК металів: 1/8 • 8 +1/2 • 6 = 4, а для гпу металів: 3 + 1/6 ? 12 + 2 / 2. = 6

Атоми в кристалічних решітках в різних напрямках її знаходяться на різних відстанях і, отже, в різних площинах атоми розташовані з різною щільністю. При такому розташуванні атомів властивості в різних напрямах різні. Залежність фізичних властивостей - механічних, теплових, електричних, магнітних, оптичних від напрямку випробування - називається анізотропією.

Поліморфні (аллотропические) перетворення. Поліморфізмом або аллотропией називають здатність металу в твердому стані при зміні температури перебудовувати свою кристалічну решітку. Поліморфні перетворення супроводжуються виділенням або поглинанням теплоти, а також зміною властивостей металу. Різні аллотропические стану називають модифікаціями. Кожній модифікації властиво залишатися стійкою лише в межах визначеного для даного металу інтервалу температур. Аллотропические форми позначаються грецькими буквами ?, ?, ? і т. д. На кривих охолодження і нагріву перехід з одного стану в інший характеризується зупинкою (для чистих металів) або зміною характеру кривої (для сплавів). При аллотропических перетвореннях крім зміни властивостей (теплопровідності, електропроводок-водності, механічних, магнітних і ін.) Спостерігають зміни обсягу металу і розчинності (наприклад, вуглецю в залозі). Аллотропические перетворення властиві багатьом металам (залозу, олова, титану, цирконію, кобальту та ін.). Залізо відомо в двох поліморфних модифікаціях-? і ?.

на Мал. 1.3 приведена крива охолодження заліза, що характеризує його аллотропические перетворення. Як видно, в інтервалі температур 911 ... 1392 ° С залізо має ГЦК грати ?-заліза (Fe?), А в інтервалі від 0 до 911 ° С і від 1 392 до 1539 ° С ОЦК решітку ?-заліза (Fe?). Залізо змінює свої магнітні властивості: вище 768 ° С залізо немагнітними, а нижче - магнітно.

Існування металів в різних кристалічних формах при різних температурах пояснюється прагненням до стану з найменшим запасом вільної енергії. Таке перетворення супроводжується тепловим ефектом, яке пов'язане з необхідністю витрати певної енергії на розбудову кристалічної решітки. У табл. 1.2 представлені метали з температурною аллотропией.

При температурі 1392 ° С кристали Fe? переходять в Fe? з ГЦК гратами. При температурі 911 ° С решітка ГЦК переходить знову в решітку ОЦК Fe?, яка зберігається до кімнатної температури. Температура 768 ° С називається точкою Кюрі: при цій температурі змінюються магнітні властивості заліза. Розрізняють дві найважливіші модиф-ції: ?- і ?-залізо; ?-залізо магнітно, ?-залізо немагнітними; ?-залізо має здатність добре розчиняти вуглець (?-Fe розчиняє вуглецю до 0,02%, а ?-Fe - до 2,14%). Поліморфізм заліза має практичне значення при термічній обробці сталі і чавуну.

 Мал. 1.3. Графік поліморфних перетворень заліза

магнітне перетворення відрізняється від аллотропического деякими особливостями, зокрема воно не супроводжується зміною кристалів-чеський решітки. Крім заліза феромагнітними властивостями, т. Е. Здатністю добре намагнічуватися, мають також кобальт і нікель.

Таблиця 2

Метали з поліморфним перетворенням

 метал  Тип решітки  Температурапревращенія, ° С
 Са  ГЦК - ДП
 се  ДП - ГЦК
 Zr  ДП - ОЦК
 Ti  ДП - ОЦК
 Fе  ОЦК - ГЦК- ОЦК  911,1392

Метали складаються з великої кількості кристалів або зерен.




Механічні властивості | Основні типи діаграм стану | Зв'язок властивостей сплавів з типом діаграм стану | Діаграма стану залізо-цементит | Класифікація і маркування ливарних сталей. | Види термічної обробки і їх класифікація | Перетворення в сталі при нагріванні | Види відпалу і нормалізація | Загартування і відпустку стали | Термомеханічна обробка стали |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати