Фирменный Автосервис

 

 

Структура и свойства материалов

материал в целом является системой

Структура материала — это название характерного макроскопического и микроскопического строения вещества.
Макроструктурой называют строение металлов и сплавов, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифованных и/или протравленных образцах.
Микроструктура — строение металлов и сплавов, выявляемое с помощью микроскопа на шлифованных и (или) протравленных образцах.
Субструктура — это структура монокристалла или зерна, выявляемая с помощью электронных микроскопов, увеличивающих
изображение в 1000 и более раз; характеризуется размером и формой блоков и двойников, распределением и плотностью дислокаций и других дефектов кристаллического строения.
Материал в целом является системой, а отдельные части этой структурной системы, имеющие определенные свойства и физические границы раздела, называют фазами. Фазы образуются исходными элементами — называемыми компонентами системы.
Однородный материал, состоящий из одной фазы, относится к однофазным, или гомогенным, а материал, образованный несколькими фазами — к многофазным, или гетерогенным. Материал, представляющий собою один большой кристалл, является монокристаллическим; два кристалла — бикристаллическим; много кристаллов — поликристаллическим. Промышленные металлы и их сплавы относятся как правило, к поликристаллическим. Отдельные кристаллы в структуре этих материалов называют кристаллитами или зернами. Размер зерен в промышленных материалах обычно составляет 50-1000 мкм, хотя встречаются материалы, например магнитные, с неизмеримо большими зернами (до нескольких сантиметров).
К фазам в металлических материалах относятся чистые металлы, твердые растворы и химические соединения.
Свойства материалов определяют область их использования и зависят преимущественно при заданном химическом составе от их структуры и внешнего воздействия.
Потребителей, в первую очередь, интересуют механические и физико-химические свойства материалов.
Механические свойства оцениваются способностью материала сопротивляться механическим нагрузкам, т. е. зависят от его прочностных и пластических характеристик, примеры, которых приведены ниже:
— сопротивление разрушению, оцениваемое пределом прочности, или временным сопротивлением — это максимальная удельная нагрузка (напряжение), которую выдерживает материал до разрушения при его растяжении; обозначается ав, размерность [ав] в Па = Н/м2; допускается [ав] = кгс/мм2 = 9,8 • 106Па = - ЮМПа;
— сопротивление пластической деформации, оцениваемое пределом текучести, — это напряжение, при котором пластическая деформация материала при растяжении возрастает при почти постоянной нагрузке; обозначается от;
— сопротивление упругим деформациям, оцениваемое пределом упругости — это напряжение, выше которого материал приобретает остаточные деформации; обозначается ау;
— способность пластически деформироваться до разрушения, оцениваемая относительным удлинением 5 образца при растяжении и относительным сужением его поперечного сечения;
— способность сопротивляться динамическим нагрузкам, оценивается ударной вязкостью и обозначается ан или КС, Дж/см2;
— твердость Н — характеризует сопротивление материала проникновению в него индентора, усл. ед.
Физико-химические свойства связаны со способностью материала взаимодействовать с физическими полями, излучениями, химически активными средами (например, сопротивление коррозии, электросопротивление).
Внешние воздействия оказывают влияние на технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые зависят не только от химического состава и структуры материала, но и от условий его технологической обработки и эксплуатации изделия.
При оценке эксплуатационных свойств материалов существенное значение имеют комплексные характеристики, определяемые несколькими параметрами. Примером комплексной характеристики может служить конструктивная прочность, включающая набор механических и пластических параметров, или жаропрочность, оцениваемая окалиностойкостью и параметрами прочности при повышенной температуре.
Многие характеристики материалов прямо или косвенно связаны с периодом времени эксплуатации изделия. К примеру, сопротивление усталости определяет допустимые напряжения, которые выдерживает материал до разрушения за определенное число циклов изменения нагрузки; ползучесть связана с длительностью действия нагрузки; химическая стойкость и износостойкость оцениваются по количеству расходуемого материала за определенное время; радиационная прочность — временной стойкостью материалов к радиоактивному излучению. Временной фактор является определяющим при нахождении сопротивления коррозии и эрозии.
Некоторые материалы обладают уникальными свойствами, определяющими специфическую область их использования (лазерное вещество, полупроводники, мембраны, биоактивные вещества и др.). Появление таких обычно сопровождается мощным подъемом в технике и технологии. Рассмотрим материалы, получившие название интеллектуальных, способных запоминать и восстанавливать ту форму, которая у них была прежде. Эффект памяти формы появляется в строго определенном для каждого сплава интервале температур. Суть эффекта можно продемонстрировать следующим примером.
Например, из проволоки определенного химического состава и при повышенной температуре выгибаем букву М. После охлаждения до комнатной температуры наше изделие сохраняет свою форму. Теперь изменим форму, к примеру растянем и произвольно изогнем. В результате последующего нагрева деформированная проволока сама по себе восстановит прежнюю форму (в нашем случае вновь будет форма в виде буквы М).
Одним из материалов с памятью является сплав никелида титана NiTi. Причина проявления эффекта памяти формы в этом сплаве — термоупругое фазовое превращение.
В настоящее время обнаружено несколько десятков интерметаллических соединений со свойствами памяти формы. Однако в практической деятельности находят применение сплавы на основе никелида титана и алюминида меди. Эти сплавы идут на изготовление медицинского инструмента для лечения переломов, сколиоза — деформации позвоночника, борьбы с тромбами, для получения самосрабатывающих элементов и трансформирующихся конструкций типа космических антенн, механических и электрических соединений.
Декоративные свойства материалов определяются их внешним видом и зависят от его наружного рисунка, текстуры, структуры, способа обработки поверхности, от наличия покрытий и рельефов.
Биологические свойства материалов определяются:
— их воздействием на окружающую среду, степенью их токсичности для живых организмов.
— их пригодностью для существования и развития каких-либо организмов (грибков, плесени, насекомых и т. п.).
Превращения в материалах. При изменении термических параметров (температуры Т, давления Р, концентрации С) в материалах наблюдаются изменения структуры и свойств. Эти превращения происходят: при переходе материала из одного агрегатного состояния в другое, а также при сохранении агрегатного состояния, в частности в твердом теле.
Движущая сила превращений — переход материала в состояние с меньшей свободной энергией (по сравнению с первоначальным уровнем).
Виды превращений.
1. Переход «жидкость—твердое тело» происходит при получении материала или изделия путем его затвердевания из жидкого состояния (выплавка металла, литье, сварка, пайка и т. п.):
а) при понижении Т повышается вязкость жидкости, материал затвердевает постепенно. Полученное твердое тело представляет собою переохлажденную жидкость с беспорядочным расположением атомов относительно друг друга. Возникает так называемое стеклообразное состояние, характерное для аморфных тел;
б) в кристаллических материалах происходит при определенной температуре, называемой температурой (или точкой) кристаллизации, процесс кристаллизации состоит из стадий: зародышеобразования и роста кристаллов.
Затвердевание технических сплавов часто подчиняется зависимости
d = KeJt,
тдеКе — постоянная затвердевания; t — время затвердевания; d — толщина затвердевающего слоя.
При затвердевании из-за неодновременной кристаллизации всего объема сплава отдельные его части кристаллизуются при
различных температурах, поэтому наблюдается неравномерное распределение химического состава по объему слитков (зональная ликвация) и отдельных кристаллов (дендритная ликвация).
При большой скорости охлаждения, когда не успевают образоваться зародыши кристаллов, вместо кристаллического тела может образоваться аморфное (например, аморфные металлы).
2. Переход «газовая фаза—твердая (кристаллическая) фаза» на практике часто используют для получения «усов» (нитевидных кристаллов) и эпитаксиальных пленок (в полупроводниковом производстве). Рост кристаллических тонких пластин (пленок) происходит за счет осаждения атомов из газовой (паровой) среды на подложку; «усы» получаются из пара, а также могут быть получены из раствора или твердой фазы. «Усы» практически не содержат дислокаций, поэтому они весьма прочны: такая нить сечением в 1 мм может удержать вес легкового автомобиля (длина «усов» в среднем 10 мм, диаметр 10 мкм). Материаловеды стремятся получить такие «усы» и композиционные материалы с их включениями больших размеров.
3. Превращения в твердом состоянии сопровождаются образованием новых фаз и происходят по 2-м механизмам:
а) диффузионный механизм:
— атомы перемещаются на большие расстояния (больше параметра решетки);
— скорость превращения определяется скоростью диффузии и зависит от температуры (чем выше температура, тем больше скорость превращения).
б) сдвиговый (мартенситный) механизм:
— атомы перемещаются на малые расстояния - меньше параметра решетки;
— происходит путем кооперированного перемещения группы атомов;
— большая скорость превращения, равная скорости звука в материале;
—- когерентное (упорядоченное) сопряжение границ матрицы и новой фазы.
4. Структурные превращения в деформированных материалах при их нагреве.
В результате пластической деформации в материалах накапливается дополнительная свободная энергия, заключенная в границах блоков и зерен раздробленной структуры, в точечных и линейных дефектах повышенной плотности. Внешне это выражается в повышении твердости и прочности материала, снижении пластичности, электропроводности и коррозионной стойкости, комплекс этих явлений называют наклепом металла. При нагреве дополнительная свободная энергия освобождается, так как из-за повышенной температуры атомы активизируются и приобретают способность перемещаться по объему нагреваемого тела. Перемещение атомов происходит по диффузионному механизму.
При нагреве деформированных кристаллических тел, в частности, металлов, освобождение накопленной энергии происходит в два этапа:
— возврат состоит из двух стадий — отдыха и полигонизации,
— рекристаллизация подразделяется на первичную, собирательную и вторичную.
На стадии отдыха наблюдается сток точечных дефектов, уменьшается их плотность; на стадии полигонизации — перестройка дислокационной структуры, уменьшается уровень остаточных напряжений. На стадии первичной рекристаллизации полигонизованные блоки превращаются в новые зерна, которые на стадии собирательной рекристаллизации увеличиваются в размерах (мелкие зерна объединяются в более крупные за счет уменьшения свободной энергии границ зерен). Вторичная рекристаллизация происходит в тонких листах за счет роста зерен с меньшей свободной энергией их поверхности.
Поверхностные явления в материалах. На поверхности материалов наблюдаются различного рода физические, химические и механические явления. Причины этих явлений и скорость их протекания в основном зависят от поверхностной энергии, под которой подразумевается избыток потенциальной энергии в поверхностных слоях. Поверхностная энергия изменяет свойства поверхностного слоя изделия: повышает физическую активность поверхности, т. е. способствует адгезии, заключающейся в повышенной концентрации возле поверхности элементов и веществ, находящихся в окружающей среде; усиливает химическую активность, т. е. оказывает каталитическое действие. С состоянием поверхности связаны такие явления, как износ (абразивное или контактное истирание), эрозия (выветривание), коррозия. Под коррозией понимается процесс разрушения материалов под воздействием внешней среды. Процесс имеет электрохимическую природу, скорость его определяется разницей в электрохимических потенциалах контактируемых тел (фаз). Для защиты от коррозии используется ряд подходов: повышение электрохимического потенциала материала за счет его легирования элементами с высоким электрохимическим потенциалом или за счет подключения изделия к положительному полюсу генератора постоянного тока; введение в электрохимический процесс вещества (элемента) с меньшим электрохимическим потенциалом — протекторная защита (например, стальной гребной винт морского судна образует электрохимическую цепь с листом из цинка, который и будет разрушаться от коррозии в морской воде, уменьшая разрушение винта); всевозможные покрытия, наносимые гальваническим путем (хромирование), окислением (оксидирование), воздействием кислот (фосфатирование), лужением, распылением, покраской.
Величина поверхностной энергии зависит от химического состава материала, рельефа поверхности, кристаллографической ориентировки зерен в поликристалле и других факторов.


Обеспечение качества продукции на предприятии Качество и пути его обеспечения Технологичность заготовок Технологичность деталей при обработке резанием ОСНОВЫ ОТРАСЛЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Управление структурой и свойствами металлических материалов методами термической обработки Повышение качества металлических материалов деформационно-термической обработкой Поверхностное упрочнение металлических материалов Картеры задних мостов Факторы, влияющие на величину припуска 

 

Образовательный сайт Бармашовой Л.В.

Рассылки Subscribe.Ru
Современное образование
Подписаться письмом