Свойства материалов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ  ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА

                                                                      
 
 

                           Экономический факультет

                      Кафедра экономических теорий 
                 
                 

Шохова (Горбушина) Алёна Геннадьевна 

контрольная работа по материаловедению 

тема  №1 «основные свойства материалов» 
 
 

СТУДЕНТКА 4 КУРСА (СРОК ОБУЧЕНИЯ – 5,5 ЛЕТ) 
 
 
 
 
 

                       Научный руководитель

                                                                            преподаватель

                  Воропаев Е.Г.

                                                                              
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2011

СОДЕРЖАНИЕ

      

 

Введение

 

     Работоспособность машин и агрегатов в значительной степени зависит от свойств материалов, которые характеризуются конкретными  параметрами. Параметры материалов определяют с помощью опытных  измерений, используя специальные  технические средства. Требования к исследуемым стандартным образцам материалов (например, масса, габаритные размеры, чистота поверхности и др.) устанавливаются соответствующими Государственными стандартами.

     Механические  свойства материалов характеризуют  возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок.

     Основными показателями свойств  материалов являются:

    • прочность;
    • твердость;
    • триботехнические характеристики.

     Их  параметры существенно зависят  от формы, размеров и состояния поверхности  образцов, а также режимов испытаний (скорости нагружения, температуры, воздействия окружающих сред и других факторов).

     Прочность - свойство материалов сопротивляться разрушению, а также необратимому изменению формы под действием внешних нагрузок. Она обусловлена силами взаимодействия атомных частиц, составляющих материал.

     Если  при растяжении образца сила внешнего воздействия на пару атомов превосходит  силу их притяжения, то атомы будут  удаляться друг от друга. Напряжение, возникающее в материале и  отвечающее силе межатомного притяжения, соответствует теоретической прочности.

     При возникновении в материале локального напряжения больше теоретической прочности  произойдет разрыв материала по этому  участку. В результате образуется трещина. Рост трещин продолжается, пока в результате их слияния одна из трещин не распространится на все сечение образца и не произойдет его разрушение.

     Деформирование - изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг). Таким образом, деформация - изменение формы и размеров изделия или его частей в результате деформирования. Деформацию называют упругой, если она исчезает после снятия нагрузки, или пластичной, если она не исчезает (необратима).

     Реальные  материалы обладают технической  прочностью, основные характеристики которой удобно рассмотреть с помощью диаграммы растяжения образца из пластичного материала (рис.1).

     Предел  упругости - напряжение, при котором остаточные деформации (т.е. деформации, обнаруживаемые при разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости σу ограничивает область упругих деформаций материала.

     Предел  текучести - напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме для материалов, разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация. 

     

 

     Прочие  материалы характеризуют условным пределом текучести - напряжением, при  котором остаточная деформация достигает  значения, установленного техническими условиями. Обычно остаточная деформация не превышает 0,2%. Отсюда и обозначение: σ0,2.

     Предел  текучести является основной характеристикой  прочности пластичных материалов.

     Предел  прочности - напряжения или деформации, соответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки. Отношение наибольшей силы, действующей на образец, к исходной площади его поперечного сечения называют временным сопротивлением (разрушающим напряжением) и обозначают ав.

     Предел  прочности - основная характеристика механических свойств хрупких материалов, т.е. материалов, которые разрушаются при малых пластических деформациях.

     Правила определения характеристик технической  прочности материалов при растяжении, сжатии, изгибе, кручении и других видах  напряженного состояния установлены  государственными стандартами (ГОСТ).

     Динамическая  прочность - сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление и точка приложения которых быстро изменяются во времени.

     Усталость материалов - процесс постепенного накопления повреждений под действием переменных напряжений, приводящих к изменению свойств материалов, образованию и разрастанию трещин. Свойство материалов противостоять усталости называется выносливостью.

     Ползучесть  - непрерывное пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки. Любые твердые материалы в той или иной степени подвержены ползучести во всем диапазоне температур эксплуатации. Вредные последствия ползучести материалов особенно проявляются при повышенных температурах.

     Причиной  неудовлетворительной прочности изделий может быть влияние поверхностных дефектов и напряжений, которые возникают из-за неравномерного распределения нагрузки, обусловленного особенностями конструкции. Поэтому прочность конструкционных элементов (сварочных швов, болтов, валов и т.д.) - конструкционная прочность - во многих случаях ниже технической прочности исходных материалов.

     Твердость является механической характеристикой  материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Она выражается сопротивлением материала местному пластическому деформированию, возникающему при внедрении в материал более твердого тела - индентора. В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям, используя несколько методов:

    • вдавливание индентора;
    • динамические методы;
    • царапанье.

     Вдавливание индентора в образец с последующим  измерением отпечатка является основным технологическим приемом при  оценке твердости материалов. В зависимости от особенностей приложения нагрузки, конструкции инденторов и определения чисел твердости различают методы:

    • Бринелля;
    • Роквелла;
    • Виккерса.

     Динамические  методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности  изделий. Распространен способ определения  твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определенной высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.

     Путем царапанья сравнивают твердость  исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания  их твердости: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.

     Триботехнические  характеристики определяют эффективность  применения материалов в узлах трения.

     Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.

     Основные  триботехнические характеристики материалов:

    • износостойкость;
    • прирабатываемость;
    • коэффициент трения.

     Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или к пути, на котором происходило изнашивание, представляет собой соответственно скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной, обратной скорости и интенсивности изнашивания.

     Прирабатываемость - свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.

     Коэффициент трения - отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят от скорости скольжения, давления и твердости материалов трущихся поверхностей.

     Триботехнические  характеристики материалов зависят от следующих  основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:

    • внутренних, определяемых природой материалов;
    • внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение);
    • режима трения (скорость, нагрузка, температура);
    • среды и вида смазочного материала.

     Совокупность  этих факторов обусловливает  вид изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др.

     Основная  причина всех видов изнашивания - работа сил трения, под действием  которых происходит многократное деформирование поверхностных слоев трущихся тел, изменение их структуры, и т.д.

     Коррозия - физико-химический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей среды.

     Под коррозионным повреждением понимают любой  дефект структуры материала, возникший  в результате коррозии. Если механические воздействия ускоряют коррозию материалов, а коррозия облегчает их механические разрушения, имеет место коррозионно-механическое повреждение материалов.

     Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия материалов и окружающей среды посредством электродных реакций. Металлы наиболее подвержены этому виду коррозии вследствие высокой электрической проводимости и химической активности.

     Коррозионное  повреждение различных участков материала может быть неодинаковым. По характеру разрушения материалов различают равномерную и местную  коррозию. Последняя возникает из-за химической или физической неоднородности среды, и материала на отдельных участках поверхности изделия.

     С конструктивными особенностями  изделий связаны щелевая и  контактная коррозии. Первая протекает  внутри или в непосредственной близости от узкого отверстия или зазора в  конструкциях. Вторая вызвана контактированием металлов, различающихся по электродному потенциалу.

     Для оценки сопротивления  материалов коррозии используют следующие  параметры:

    • фронт коррозии - воображаемая поверхность, отделяющая поврежденный материал от неповрежденного;
    • скорость коррозии - это скорость продвижения ее фронта;
    • техническая скорость коррозии - ее наибольшая. скорость, вероятностью превышения которой нельзя пренебречь в конкретных условиях.

     Сопротивление материалов коррозии характеризуют  с помощью параметра коррозионной стойкости - величины, обратной технической скорости коррозии материала в данной коррозионной системе. Условность этой характеристики заключается в том, что она относится не к материалу, а в целом к коррозионной системе. Коррозионную стойкость материала нельзя изменить, не изменив других параметров коррозионной системы. Противокоррозионная защита - это изменение коррозионной системы, ведущее к снижению скорости коррозии материала.

 

1 Основные механические  характеристики материалов

 

     Механические  свойства материалов - совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим механические свойства материалов измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс×м/см2 или Мдж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). Механические свойства материалов определяются при механических испытаниях образцов различной формы.

     В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным  по характеру нагрузкам: работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей механических свойств и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твёрдость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг. Для увеличения выносливости при изгибе применяют цементацию. Твердость увеличивает повышенное содержание углерода, но оно обеспечивает и высокую хрупкость материала из-за потери пластичности.

     Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается  диаграмма растяжения P = f (Dl) в координатах s и e. Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l — соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма s = f (e) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.

     Наибольшее  напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределов пропорциональности (sn).

     Величина  предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой s = f (e) от прямой s = Еe определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью s. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/E. Обычно считают, что если величина de/ds оказалась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропорциональности достигнут.

     Упругие свойства материала сохраняются  до напряжения, называемого пределом упругости (sу) - наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.

      Для того чтобы  найти предел упругости, необходимо после каждой дополнительной нагрузки образец разгружать и следить, не образовалась ли остаточная деформация. Так как пластические деформации в отдельных кристаллах появляются уже в самой ранней стадии нагружения, ясно, что величина предела упругости, как и предела пропорциональности, зависит от требований точности, которые накладываются на производимые замеры. Обычно остаточную деформацию, соответствующую пределу упругости, принимают в пределах  eост= (1¸5) 10-5, т. е. 0,001 ¸ 0,005%. Соответственно этому допуску предел упругости обозначается через s0.001 или s0.005

     Следующей характеристикой является предел текучести - напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация eост = 0,002 или 0,2% (рис. 2). В некоторых случаях устанавливается предел eост =0,5%.

     Условный  предел текучести обозначается через s0.2 и s0.5 зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию. Индекс 0,2 обычно в обозначениях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжатие, то в обозначение вводится соответственно дополнительный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения sтр и sст.

     Предел  текучести легко поддается определению  и является одной из основных механических характеристик материала.

     Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной  площади поперечного сечения  носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через sвр (сжатие — sвс).

     sвр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение  в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем sвр. Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.

     При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — удлинение при разрыве d%.

      Удлинение при  разрыве представляет собой величину средней остаточной деформации, которая образуется к моменту разрыва на определенной стандартной длине образца. Определение d%. производится следующим образом.

     Перед испытанием на поверхность образца  наносится ряд рисок, делящих  рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рис. 3). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рис. 3). Таким образом определяется среднее удлинение на стандартной длине l0 = 10d. В некоторых случаях за l0 принимается длина, равная 5d.

     

     Удлинение при разрыве будет  следующим:

     Возникающие деформации распределены по длине образца  неравномерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлинений, показанную на рис. 3. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истинным удлинением при разрыве.

     Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения.

                                                 

     Пластичность  и хрупкость. Твердость 

     Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение d при разрыве. Чем больше d, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рис. 4).

      По-разному  ведут себя пластичные и хрупкие  материалы и при испытании  на сжатие. Как уже упоминалось, испытание  на сжатие производится на коротких цилиндрических образцах. Для малоуглеродистой стали диаграмма сжатия образца имеет вид кривой, показанной на рис. 10. Здесь, как и для растяжения, обнаруживается площадка текучести с последующим переходом к зоне упрочнения. В дальнейшем, однако, нагрузка не падает, как при растяжении, а резко возрастает. Происходит это в результате того, что площадь поперечного сечения сжатого образца увеличивается; сам образец вследствие трения на торцах принимает бочкообразную форму (рис. 5). Довести образец пластического материала до разрушения практически не удается. Испытуемый цилиндр сжимается в тонкий диск (см. рис. 5), и дальнейшее испытание ограничивается возможностями машины. Поэтому предел прочности при сжатии для такого рода материалов найден быть не может.                                                                                                       

     Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (см. рис. 4). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям.

      Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении sвр с пределом прочности при сжатии sвр показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочностными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения

     для чугуна k колеблется в пределах 0,2 ¸ 0,4. Для керамических материалов k = 0,1 ¸ 0,2.

     Для пластичных материалов сопоставление  прочностных характеристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести (sтр и sтс ). Принято считать, что sтр » sтс.

     Существуют  материалы, способные воспринимать при растяжении большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру, — дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний.  Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе d. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие.

     Очень большое влияние на проявление свойств  пластичности и хрупкости оказывает  время нагружения и температурное  воздействие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные деформации. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

     Одной из основных технологических операций, позволяющих изменять в нужном направлении свойства материала, является термообработка.Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Для большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо известны те режимы термообработки, которые обеспечивают получение необходимых механических характеристик материала.