Классификация свойств металлов и сплавов

Вводная лекция.

Материаловедение – наука о структуре и свойствах технических материалов в зависимости от их состава и режима обработки.

С развитием техники и технологии расширяется перечень используемых материалов. Наряду с черными и цветными металлами и сплавами большое место в промышленности занимают порошковые материалы, композиты, пластмассы, полупроводники и т.д.

Однако до настоящего времени из всех конструкционных материалов основными являются металлы и их сплавы, широкое применение которых обусловливается комплексом замечательных свойств: пластичностью, высокой прочностью, тепло – и электропроводностью.

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,

2. химические,

3. механические,

4. технологические.

Механические свойства металлов и сплавов.

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,

2. твердость,

3. упругость,

4. пластичность,

5. ударная вязкость,

6. ползучесть,

7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок: сжимающих, растягивающих, скручивающих, срезающих и изгибающих.

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела. В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

a. вдавливание в материал стального шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм — испытание твердости по Бринелю;

b. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса — испытание твердости по Роквеллу

c. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды — испытание по Виккерсу.

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом копре (рис. 4).

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение о существляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах.

Эксплуатационные свойства —

это свойства, которые определяют долговечность и надежность работы изделий в процессе их эксплуатации. К ним относятся износостойкость, циклическая вязкость, жаропрочность, хладностойкость, антифрикционное™, прирабатываемое™ и др., которые определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы машин и механизмов. В основу эксплуатационных свойств положены физико-механические и химические свойства конструкционных материалов. Физико-химическая природа этих материалов определяет надежность и долговечность работы деталей и механизмов.

Износостойкость — способность конструкционных материалов сопротивляться абразивному износу трущихся поверхностей деталей и инструмента во время работы. Требования высокой износостойкости предъявляются ко всем трущимся поверхностям деталей, инструменту и механизмам в процессе работы. Поверхности зацепления зубчатых передач, фрикционных муфт, кулачковых механизмов, зеркало цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.д., как правило, должны иметь высокую износостойкость. Высокая износостойкость деталей, инструмента и механизмов достигается путем термической и химико-термической обработки.

Циклическая вязкость — способность конструкционных материалов выдерживать динамические знакопеременные нагрузки, не разрушаясь. Примером высокой циклической вязкости могут служить рессоры автомобиля, торсионы и пружины. Эти детали работают при высоких динамических нагрузках в сложных условиях и длительное время не разрушаются.

Постоянные толчки на стыках рельсов, неровностях автодорог и неравномерное движение поездов деформируют рессоры и пружины в прямом и обратном направлениях. Благодаря высокой циклической вязкости рессоры и пружины длительное время не разрушаются, что определяет их надежность.

Жаропрочность — способность конструкционных материалов выдерживать высокие механические нагрузки в процессе работы при температурах, начиная с 0,3 Тш и выше. Жаропрочность зависит от тугоплавкости химических компонентов конструкционных материалов. Многие детали современных двигателей, турбин, металлургических печей и силовых установок при высоких температурах несут большие нагрузки. При этом в конструкционных материалах ослабевают межатомные связи, уменьшаются упругость, твердость, вязкость, и детали постепенно разрушаются. Углеродистые стали практически не имеют жаропрочности. С добавлением в них алюминия, магния и титана в небольших объемах жаропрочность повышается до 300...600 °С. С добавлением в сплав никеля и кобальта жаропрочность повышается до 700... 1000 °С.

Жаростойкость (окалиностойкость) — способность металлов и сплавов противостоять образованию коррозии под действием температуры в среде воздуха, газа и пара. В практике принята эксплуатационная жаростойкость — стойкость при длительной работе деталей и конструкций при температуре 600...650 °С. Углеродистые стали и чугуны имеют низкую жаростойкость. Легированные стали, чугуны, сплавы, содержащие хром, никель, титан, вольфрам и ванадий, имеют жаростойкость 800... 1000 °С и выше. Жаростойкость определяют глубиной коррозии (окалиной). Кроме того, стандартом устанавливается продолжительность работы деталей и конструкций в газовой среде (воздухе) при повышенной температуре. Жаростойкость металлов и сплавов определяют по специальной методике согласно ГОСТ 6130-71.

Хладностойкостъ — свойство конструкционных материалов сохранять вязкость при отрицательных температурах от 0 до —269 °С. Воздействию низких температур подвергаются газо- и нефтепроводы, мосты, рельсы и другие сооружения, эксплуатируемые в северных районах, где температура может достигать —60 °С; летательные аппараты, работающие при температурах от 0 до —183 °С; детали, узлы и механизмы холодильной и криогенной техники, эксплуатируемые в условиях температур до —269 °С.

Хладноломкость — свойство материала хрупко разрушаться при пониженных температурах и терять вязкость. Понижение температуры приводит к хрупкому разрушению конструкционных материалов. Высокой хладноломкостью обладают углеродистые конструкционные стали и чугуны. Алюминий, титан и их сплавы, никелевые стали обладают более высокой хладностой- костью. Для деталей и конструкций, работающих при отрицательных температурах, с целью уменьшения хладноломкости и получения высокой хладностойкости применяют специальные легированные стали и новые материалы — композиты.

Антифрикционностъ — способность конструкционных материалов образовывать низкое трение соприкасающихся (трущихся) поверхностей деталей в процессе их работы. Низкий коэффициент трения и высокое скольжение обеспечивают анти- фрикционность конструкционных материалов. В практике выпускаются специальные материалы, которые идут на изготовление узлов трения. Эти материалы называются антифрикционными. Они широко применяются для изготовления подшипников скольжения в современных машинах, механизмах и приборах. Антифрикционные материалы обладают устойчивостью к вибрации, бесшумностью в работе и прирабатываемостъю. В качестве антифрикционных материалов широкое применение нашли чугуны, бронзы и баббиты. В целях устранения нагрева при трении и увеличения антифрикционности в механизмах используются смазывающие материалы.

Фрикционность — способность конструкционных материалов к образованию высокого трения соприкасающихся поверхностей деталей в процессе их работы. Фрикционность используется в тормозных устройствах и механизмах и для передачи крутящего момента (фрикционные муфты, диски сцепления, тормозные барабаны и системы и т.д.).

Прирабатываемостъ — способность конструкционных материалов пластически деформироваться в процессе работы в узлах трения, увеличивать площадь контакта, снижать давление и температуру на трущихся поверхностях в узлах трения и сохранять граничную смазку.

Хорошая прирабатываемостъ обеспечивает надежную работу подшипников скольжения и качения при работе в паре с сырым или закаленным валом и других трущихся деталей и механизмов, повышая их долговечность. С целью обеспечения надежности и долговечности работы машин и механизмов после их изготовления проводится обкатка на холостом ходу. А после сдачи станка в эксплуатацию в первый период (рекомендуют для машин) осуществляют работу на малых оборотах или скоростях. В этих случаях происходит плавная прирабатываемостъ всех узлов и агрегатов машин, станков и механизмов.

Эксплуатационные свойства в технике еще получили название «триботехнические характеристики».

Объемные дефекты

Объемныедефекты представляют собой неметаллические включения, поры, трещины и т.п., которые являются концентраторами напряжений и значительно снижают вязкость и пластичность металлов и сплавов.

Основные сведения из теории диффузии

Диффузия – направленное перемещение атомов внутри кристалла за счет тепловой энергии. Движущей силой диффузии служит градиент концентрации dc / dx в гомогенных сплавах или градиент химического потенциала d m / dx – в гетерогенных сплавах.

    Основным (преобладающим) механизмом диффузии являются вакансионный и межузельный.

Восходящаядиффузия наблюдается в гетерогенных сплавах, например, при эвтектоидном превращении аустенита в перлит (механическая смесь феррита и цементита), когда атомы углерода диффундируют в направлении, более высокой его концентрации, где образуется цементит.

Самодиффузия представляет собой самопроизвольное перераспределение атомов в кристалле металла или сплава, не сопровождающееся переносом массы.

Диффузия по дислокациям и границам зерен

Линейные дефекты – дислокации и поверхностные – границы зерен и субзерен представляют собой протяженные области искаженной кристаллической решетки, благоприятные для диффузии примесных атомов. При этом энергия активации диффузии этих атомов примерно в два раза меньше, чем энергия активации для объемной диффузии. Такая диффузия играет важную роль при сравнительно низких температурах, когда вакансионная диффузия протекает очень медленно.

Пластическая деформация

Пластическая деформация – это необратимое изменение формы и размеров металла под действием внешней силы. Атомным механизмом пластической деформации служит движение дислокаций.

Под действием касательного напряжения t происходит упругое смещение экстраплоскости 1 - 1 в положение 1- 1^!, что приводит к переброске атомной связи 3 - 2^! в положение 3 - 1^!1 и перемещению дислокации в плоскости скольжения на одно межатомное расстояние. При выходе дислокации на границу кристалла произойдет сдвиг верхней части кристалла относительно нижней на период решетки а, т.е. произойдет его пластическая деформация.

Таким образом, пластическая деформация в металлах происходит не путем одновременного смещения всех атомов, лежащих в плоскости скольжения, а путем последовательного перемещения межатомных связей, выражающегося в движении дислокаций.

Дислокаций вызывает макроскопическую деформацию в виде скольжения или двойникования.

Скольжение выражается смещением атомных слоев относительно друг друга, что проявляется в полосах скольжения, расстояние между которыми в среднем составляет 1 мкм (микрометра), в то время, как расстояния между атомами порядка 10^-4 мкм.

 

а                                                  б

Рис. Виды макроскопической деформации:

а - скольжение; б - двойникование

Двойникование происходит таким образом, что одна часть кристалла становится зеркальным отображением другой части. Двойникование также осуществляется путем движения двойникующих дислокаций. Оно обычно происходит тогда, когда деформация скольжения затруднена. Наиболее часто двойникование наблюдается в металлах и сплавах с ГПЦ и ОЦК решетками, особенно в условиях низких температур и высокой скорости деформации. На микрошлифах двойники видны в виде параллельных полос.

Кристаллизация металлов

 

Представляет собой процесс перехода из жидкого состояния в твердое. Она протекает в условиях, когда свободная энергия кристалла меньше свободной энергии жидкой фазы, что обеспечивается некоторым переохлаждением.

 

Рис. Изменение свободной энергии и кривая охлаждения

         при кристаллизации металлов:

T_s – теоретическая температура кристаллизации или плавления (или температура равновесия);

T _пл – температура плавления;

Т_кр – температура кристаллизации;

G – свободная энергия Гибса;

 - степень переохлаждения

    Движущей силой кристаллизации служит уменьшение свободной энергии Гибса G, т.е.

При T_s превращение не происходит, т.к. разность свободных энергий равна нулю.

Степенью переохлаждения  называется разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации. При кристаллизации (выделение кристаллов) выделяется энергия, что приводит к появлению площадки на кривой охлаждения. Степенью переохлаждения  зависит от скорости охлаждения, природы и чистоты металла и колеблется от обычных 10…30 ⁰С до сотен градусов.

Механизмы кристаллизации

При температурах, близких к Т_кр, в жидком металле возможно образование флуктуаций (группировок атомов) с ближним порядком, в которых атомы расположены как в кристаллах. Флуктуации размером > а_кр могут превращаться в центр кристалла – зародыш. Такое самопроизвольное образование зародышей называется гомогенной кристаллизацией. Если же зародышами служат примеси – окислы, неметаллические включения – или неровности поверхности изложения или литейных форм, то такая кристаллизация называется гетерогенной.

В целом процесс кристаллизации состоит из стадий непрерывного образования зародышей и их роста до взаимного соприкосновения.

Рис. Схема кристаллизации металлов:

а- образование зародышей; б,в – образование новых зародышей и рост кристаллов; г – взаимное соприкосновение кристаллов

 

Каждой степени переохлаждения или температуре кристаллизации Т_кр соответствует определенный критический размер зародыша а_кр, рост которого термодинамически выгоден. При размерах меньше а_кр зародыш растворяется в расплаве, т.к. его свободная энергия выше, чем энергия расплава.

Фактический размер кристаллов определяется соотношением скорости роста кристаллов V _{С.К .} и скорости образования числа центров кристаллизации V _чц.

 

Рис. Влияние степени переохлаждения на скорость образование центров кристаллизации (Vчц) и скорость роста кристаллов (Vск)

 

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще всего в процессе кристаллизации образуются кристаллы древовидной формы – дендриты.

 

Вводная лекция.

Материаловедение – наука о структуре и свойствах технических материалов в зависимости от их состава и режима обработки.

С развитием техники и технологии расширяется перечень используемых материалов. Наряду с черными и цветными металлами и сплавами большое место в промышленности занимают порошковые материалы, композиты, пластмассы, полупроводники и т.д.

Однако до настоящего времени из всех конструкционных материалов основными являются металлы и их сплавы, широкое применение которых обусловливается комплексом замечательных свойств: пластичностью, высокой прочностью, тепло – и электропроводностью.

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,

2. химические,

3. механические,

4. технологические.