Технология конструкционных материалов

      Технология конструкционных материалов представляет собой комплексную дисциплину, которая содержит основные сведения о способах получения металлических и неметаллических конструкционных материалов, их свойствах и методах обработки при получении заготовок, готовых деталей или изделий различного назначения. Успешное изучение ряда специальных дисциплин, а также дальнейшая деятельность студентов многих специальностей может стать успешной лишь при усвоении этих вопросов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

      В технике применяют большое число  различных металлов, которые можно разделить на черные и цветные. К первым относят железо и его сплавы, ко вторым — все остальные металлы и их сплавы.

      Черные  металлы представляют собой сложные сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором и другими элементами. Однако основным элементом, оказывающим главное влияние на свойства этих металлов, является углерод. В зависимости от его содержания сплавы делят на стали и чугуны.

      Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами — свыше 2,14%.

      Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро). Цветные металлы обладают многими ценными свойствами, но их мало и они дороги и во всех случаях, когда это допустимо, цветные металлы заменяют черными металлами, пластмассами и синтетическими материалами.

2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ  СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

      Все тела состоят из атомов. Тела, в которых  атомы расположены беспорядочно, называют аморфными (стекло, воск, смола и др.). Кристаллические тела, к которым относятся все металлы и металлические сплавы, характеризуются упорядоченным расположением атомов. В них атомы находятся в узлах пространственных кристаллических решеток.

      Аморфные  тела изотропны, то есть имеют одинаковые свойства по всем направлениям. Кристаллические тела анизотропны: у них неоднородные свойства в разных геометрических направлениях. В связи с этим физические и механические свойства одного кристалла могут изменяться в зависимости от того, в каком направлении эти свойства определяют.

      Металлические изделия, состоящие из огромного  числа кристаллов, представляют собой  поликристаллические тела. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что свойства оказываются практически одинаковыми во всех направлениях.

      В процессе кристаллизации металлов и  сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являются объемно-центрированная кубическая, гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки (рис. 1).

        

^{а                                   б                                     в}

^{Рис.1. Расположение атомов в кристаллических решетках:}

а - объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная

      Решетку объемно-центрированного куба имеют  многие металлы, например Cr, Fe, Pb, W; гранецентрированную кубическую решетку - Al, Ni, Cu; гексагональную решетку — Mg, Zn, Ti.

      Некоторые металлы (железо, марганец и др.) в  зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называют аллотропией.

      К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое количество технически важных металлов (олово, цинк, никель, и др.) подвержено аллотропическим изменениям.

3. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ  МЕТАЛЛОВ

      Переход металлов и сплавов из жидкого  состояния в твердое связан с  их кристаллизацией. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси и включения. После образования зародышей атомы жидкого металла, расположенные беспорядочно, начинают располагаться вокруг этих зародышей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновременно во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь между собой, мешают свободному росту каждого. Это приводит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутреннее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, или зернами.

      В практических условиях кристаллизация с образованием геометрически правильных кристаллов происходит очень редко. Почти всегда образуются кристаллические зерна или дендриты неправильной геометрической формы. Каждое зерно состоит из большого количества мелких кристаллических решеток, в которых атомы расположены закономерно. Дендриты представляют собой древовидные кристаллы.

      При наблюдении за охлаждением и нагревом чистого металла могут быть построены кривые охлаждения и нагревания. Горизонтальный участок на кривой соответствует температурной остановке — температуре затвердевания или расплавления чистого металла (рис. 2).

Рис. 2. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморфного тела и сплава

а - кривая нагревания, б - кривая охлаждения без  переохлаждения, в - кривая с переохлаждением, г - кривая с петлей переохлаждения, д - кривая охлаждения аморфного тела, е - кривая охлаждения сплава.

      В отличие от кристаллических тел  аморфные не имеют выраженной границы при переходе из жидкого состояния в твердое (с понижением температуры процесс идет постепенно).

      Охлаждение  и надевание сплавов характеризуются (в отличие от чистых металлов) тем, что затвердевание и расплавление у них происходит не при одной определенной температуре, а в интервале температур. Начало затвердевания сплава соответствует температуре t₁, а конец затвердевания — температуре t₂.

      Температуры, при которых происходят аллотропические  и агрегатные превращения, называют критическими температурами или критическими точками.

4. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ  И МЕТОДЫ ИХ  ИСПЫТАНИЙ

      Металлы характеризуются механическими, физическими, химическими и технологическими свойствами.

      Механические  свойства — прочность, упругость, пластичность, твердость, и др. По ним определяют конструкционную прочность материала, технологическое поведение его при обработке, однородность и стандартность.

      Механические  свойства определяют при проведении механических испытаний. Свойства зависят  от химического состава, структуры  и характера технологической обработки материала.

      Испытания бывают статические, когда прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно; динамические, когда внешняя сила воздействует с большой скоростью (удар); технологические пробы, при проведении которых не принимается во внимание значение нагрузки, действующей на испытуемый образец.

      Испытание на растяжение является статическим. Его  проводят для определения прочностных и пластических свойств металлов и сплавов.

      Прочность — способность металла не разрушаться под действием приложенных к нему внешних сил.

      Упругость — способность металла восстанавливать свою форму после снятия нагрузки, вызвавшей его деформацию.

      Пластичность — способность металла изменять под действием внешней силы свою форму и размеры, не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

      Характеристики  механических свойств металла могут  быть определены посредством диаграммы растяжения, которая показывает изменение длины образца в зависимости от приложенной к нему нагрузки (рис.3).

Рис. 4. Диаграмма растяжения стального  образца. 

      Напряжения  по приведенным выше точкам характеризуют  следующие величины.

      Предел  пропорциональности σ_р (МПа), определяемый по формуле:

где Рр — нагрузка, при которой нарушена пропорциональность; F₀ — площадь поперечного сечения образца до разрыва.

      Предел  упругости σ_е (МПа), определяемый по формуле:

где Ре — нагрузка при пределе упругости.

      Предел  текучести σ_т (МПа), определяемый по формуле:

где Р_т — нагрузка, при которой наблюдается текучесть (удлинение образца без увеличения нагрузки).

Предел  прочности σ_в (МПа) — условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца. Определяется по формуле:

где P_в — наибольшая нагрузка.

      Кроме приведенных выше величин, при испытании на растяжение определяют пластичность материала, характеризуемую относительным удлинением δ (%) и относительным сужением ψ(%) площади поперечного сечения.

      Испытанием  на ударную вязкость определяют степень  сопротивления материала разрушению при ударной нагрузке. Данное испытание является важным для сталей, из которых изготавливают детали, работающие при знакопеременных нагрузках (коленчатые валы, вагонные оси и др.).

      Усталостным разрушением называется разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных напряжений. Усталостному разрушению подвержены многие ответственные детали (коленчатые валы, клапанные пружины и др). Усталостное разрушение может наступить при нагрузках, значительно меньших предела прочности и даже предела текучести.

      Способность металла сопротивляться усталости называют выносливостью. На предел усталостной прочности оказывают большое влияние качество поверхности и ее твердость.

      Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

      Технологические пробы применяют главным образом  для определения пригодности материала к тому или иному способу обработки. Обычно о результатах технологических испытаний судят по состоянию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Распространенными технологическими пробами являются: проба на изгиб в холодном и нагретом состоянии, проба на перегиб и выдавливание, проба на осадку, проба на раздачу и обжатие труб.

      Физические  свойства металлов и сплавов являются важными, особенно для материалов, используемых в электротехнической промышленности. К этим свойствам относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться.

      Химические  свойства — это способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги металлы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют, бронза покрывается зеленым слоем окиси меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.