Механические и физические свойства материалов

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Иркутский Государственный  технический университет

Кафедра «ЭУП»

 

 

 

 

 

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Контрольная работа

Вариант: 06

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск, 2012г.

Содержание:

1. Вопрос №1. Механические и физические свойства материалов                      стр. 1- 7
1. Механические свойства                                                                                       стр. 1 
2. Физические свойства                                                                                           стр. 5     
2. Вопрос № 2. Материалы с малой плотностью                                                    стр. 8-13  
1. Алюминий                                                                                                             стр. 8
2. Сплавы на основе магния                                                                                   стр. 12                                                                                        
3. Пластмассы                                                                                                             стр. 13

Список используемой литературы                                                                                стр. 14

 

 

Вопрос №1

Механические  и физические свойства материалов.

1. Механические свойства проявляются как способность материала

сопротивляться всем видам  внешних механических воздействий, которые характеризуют:

1. По направлению - линейные (растяжение и сжатие) и угловые (изгиб и кручение),
2. По длительности – статические и динамические воздействия,
3. По области действия – объемные и поверхностные воздействия.

Механические свойства определяют изменение формы, размеров и сплошности веществ и материалов при механических воздействиях, и как следствие, результат практически любого механического воздействия на вещества и материалы, возникающего при их производстве и эксплуатации (использовании).

Основные механические свойства веществ и материалов это:

УПРУГОСТЬ – обусловлена  взаимодействием между атомами (молекулами) вещества и их тепловым движением. При  прекращении внешних воздействий  твердые вещества способны самопроизвольно  восстанавливать свои форму и  объем, жидкости и газы – только объем.

ЭЛАСТИЧНОСТЬ – способность  материала или изделия претерпевать значительные изменения размеров и  формы без разрушения при сравнительно небольшой действующей силе.

ЖЕСТКОСТЬ – способность  материала или изделия к меньшему изменению размеров и формы при заданном типе нагрузке: чем больше жесткость, тем меньше изменения.

ПЛАСТИЧНОСТЬ – проявляется  в деталях конструкций и сооружений, заготовках при обработке давлением (прокате, штамповке и др.)в пластах земной коры и определяет возможность технологических операций обработки материалов давлением. Твердые материалы могут сохранять измененными, форму и объем без микроскопических нарушений сплошности после снятия механических нагрузок, которые вызвали эти изменения.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ  – свойство твердых веществ сопротивляться разрушению, а так же изменению  формы при механических воздействиях.

ХРУПКОСТЬ – свойство твердых  веществ разрушаться при механических воздействиях без существенных предварительных  изменений формы и объема.

ВЯЗКОСТЬ (внутреннее трение) – сопротивление материалов действию внешних сил, вызывающему: в твердых  веществах распространение уже имеющейся острой трещины, в жидкостях и газах – течение.

Понижение температуры обусловливает  переход от вязкого разрушения к хрупкому (критическая температура – порог хладноломкости).

ТВЕРДОСТЬ – это сопротивление  материалов в поверхностном слое контактному воздействию (вдавливанию  или царапанью). Его особенность  в том, что оно реализуется  только в небольшом объеме вещества.

ДЕФОРМАЦИЯ – изменение  взаимного расположения множества  частиц вещества, которое приводит к изменению формы и размеров тела или его частей и вызывает изменение сил взаимодействия между  ними. Деформируемыми являются все  вещества. По механизму протекания в твердых веществах различают:

Упругую деформацию – когда влияние деформации на форму, структуру и свойства материала устраняется после прекращения действия внешних сил;

Пластическую  деформацию – это та часть деформации, которая остается после снятия нагрузки, необратимо изменяя структуру материала и его свойства. Она в твердых веществах может осуществляться, например, скольжением, протекающим в кристаллической решетке вещества по плоскостям и направлениям (которые образуют систему скольжения) с наиболее плотной упаковкой атомов. Пластическая деформация некоторых металлов с плотноупакованными кубическими или гексагональными решетками, кроме скольжения может осуществляться двойникованием (рис. 1).

        [111]

 

         (231)

 

 

Рис.1.

Если величина деформации явно зависит от времени, например, возрастает при неизменной нагрузке, но обратима, то это вязкоупругая деформация.

Простейшие элементы деформации это: относительное удлинение δ -  отношение приращения длины (l₁ – l₀) образца под действием нагрузки к ее первоначальной величине l_0:                                 δ=(l₁ – l₀)/ l_0;

Относительное сужение ψ  – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца под действием нагрузки (S₀-S₁) к ее первоначальной величине S₀:                    ψ = (S₀-S₁)/ S₀.

НАПРЯЖЕНИЕ – величина векторная, мера внутренних сил, возникающая  при деформации материала, и характеризующая  изменение сил взаимодействия между  частицами вещества при его деформации.

НАКЛЕП – изменение  структуры и свойств с увеличением  плотности дефектов кристаллической  решетки в веществах в результате пластической деформации. При наклепе  уменьшаются пластичность и ударная  вязкость, но повышаются твердость  и прочность.

      Основные механические характеристики. Диаграмма деформации –    

графическая характеристика механических свойств материала, построенная  на основании результатов испытаний  в координатах «напряжение –  относительная деформация».

Основные механические характеристики сопротивления материала деформации и разрушению:

              Модуль Юнга,

                                 Коэффициент Пуассона,

                                                                  Модуль сдвига.

Предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести  и предел прочности.

Характеристики материалов предел текучести (условный)σ_0,2, предел прочности (временное сопротивление) σ_в, модуль Юнга Е,  относительное удлинение δ и Относительное сужение ψ являются базовыми – они включены в государственные стандарты на поставку конструкционных материалов, в паспорта приемочных испытаний, а так же в расчеты прочности и ресурса.

1.2. Физическими свойствами, характеризующими способность практически всех веществ и материалов взаимодействовать с потоками масс (воздуха, газа, пара) и излучений (света, звука и др.), являются их отражательная способность, проницаемость (проводимость) и поглощение.

Физические свойства это внутренние, присущие данному материалу или веществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другими веществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред.

Физические свойства, определенные стандартными методами с указанием  состава, строения и структуры, представляют собой стандартные справочные данные (ССД) веществ и материалов. Порядок  разработки и аттестации ССД о  физических константах и свойствах  веществ и материалов установлен в Правилах по межгосударственной стандартизации (ПМГ 28-99).

Физические величины, которые характеризуют агрегатное состояние вещества, это температура и плотность.

  Температура тела  независимо от его массы и  химического состава характеризует  энергию, с которой движутся  молекулы.

Переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое представлены на рис. 2.

Агрегатное состояние:

    Твердое                           Жидкое                                          Газообразное

 

                  плавление                                    парообразование

 

              затвердевание                                 конденсация

                                         

                                             сублимация

 

                                Возрастание температуры

Рис. 2.

Температура плавления. В  твердых телах характер плавления  определяется их строением. В кристаллических плавление происходит при определенной температуре, которая зависит от внешнего давления, при этом температура тела не меняется. Температура плавления сплавов обычно ниже температуры самого легкоплавкого компонента.

Материалы с преимущественно  амфорным строением, такие, как стекло и высокомолекулярные полимеры, характеризуются  периодом размягчения, где самая  низкая температура – температура  размягчения.

Так же для амфорных материалов характерна температура стеклования, при которой осуществляется обратимый  равновесный фазовый переход  вещества в стеклообразное состояние из переохлажденного расплава при постоянном внешнем давлении.

Температура кипения –  это равновесный переход жидкости в пар при постоянном внешнем  давлении.

Для жидких высокополимерных материалов, характерными являются температуры  разложения, воспламенения и возгорания.

Одной из основных физических характеристик материи, определяющей ее инертные и гравитационные свойства, является масса вещества.

      Рассмотрим некоторые свойства, наиболее распространенные для оценки материалов при взаимодействии с потоками масс.

Поток воздуха, газа, пара, воды

Свойства материала пропускать через свою толщу воздух, газ, пар  и воду появляются при наличии  перепада давления.

В твердых веществах и  материалах взаимодействие с водой  может основываться на капиллярных  явлениях, т.е. физических явлениях, обусловленных  поверхностным натяжением на границе  раздела несмешивающихся фаз.

Взаимодействие с водой.

Гидроскопичность – свойство материала поглощать влагу. Такие материалы называют гидрофильными. А отталкивающие воду – гидрофобными.

Водопоглощение (водонасыщение) – свойство материала при  непосредственном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в своих порах.

Тепловой поток.

Теплопроводность. Материал передает через свою толщину тепловой поток, возникающий при разных температурах на противоположных поверхностях.

Поглощение тепла веществами и материалами обычно сопровождается тепловым расширением, при котором материал изменяет форму и размеры в процессе нагревания.

Поток звука.

Звукопоглощение оценивается  коэффициентом звукопоглощения и зависит от пористости материала, его толщины, состояния поверхности, а так же от частоты звукового тона, измеряемого количеством колебаний в секунду.

Звукопроницаемость –  способность материала пропускать через свою толщу звуковую энергию. Обратное свойство - звукоизоляция.

 

Вопрос № 2.

Материалы с малой  плотностью.

   Материалы с малой  плотностью – легкие материалы - широко используются в авиации, ракетной и космической технике, а так же  в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности.

Основные конструкционные  легкие материалы это – пластмассы, цветные металлы Mg, Be, Al, Ti и сплавы на их основе, а так же композиционные материалы.

Особенно перспективны, те материалы, которые дают возможность  снизить массу конструкций при  одновременном повышении их прочности  и жесткости.

2.1. Алюминий.

Алюминий обладает малой  плотностью, хорошей теплопроводностью  и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозийной  стойкостью, а так же высокой отражательной способностью. Его применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичностью. Из алюминия изготовляют рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности его используют для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электрическая проводимость способствует широкому применению алюминия для конденсаторов, проводков, кабелей, шин и т.п. В связи с отражательной способностью его используют в прожекторах, рефлекторах, экранах телевизоров. Примеси ухудшают все его перечисленные свойства.

     Постоянные примеси – Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса:

1. Особой частоты А999 (≤ 0,001 % примесей),
2. Высокой частоты А995, А99, А97, А95 (0,005 – 0,05% примесей),
3. Технической частоты А85, А8 и др. (0,15- 1 % примесей).

 

Технический алюминий выпускается  в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.) и маркируется  АД0 и АД1.

Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния.

Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают его прочность и твердость.

Алюминий имеет малое  эффективное поперечное сечение  захвата нейтронов. Он хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой  и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Так же имеет большую  усадку при затвердевании (6%).

Алюминиевые сплавы.

Алюминиевые сплавы характеризуются  высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Их классифицируют по технологии изготовления, способности к упрочнению термической обработкой и свойствами (рис. 3).

 

 

 

 

 

Рис. 3.

      Большинство сплавов имеют хорошую коррозийную стойкость (исключение составляют сплавы с медью), высокие тепловодность и электрическую проводимость, хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, а специальные – сваркой плавлением, в основном хорошо обрабатываются резанием).

Основными легирующими алюминиевыми сплавами являются Cu, Mg, Si, Mn, Zn. Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру рекристаллизации алюминия.

Деформируемые алюминиевые  сплавы – Амц и АМг. Они отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозийной стойкостью.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, от которой требуется высокая коррозийная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки), а так же для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лифтов, узлов подъемных кранов, рам вагонов, кузовов автомобилей и др.

К сплавам, упрочняемым термической  обработкой, относятся главным образом  сплавы нормальной прочности и высокопрочные  – ДЮРАЛЮМИНЫ, которые широко применяются  в авиации.

Литейные алюминиевые  сплавы классифицируются по химическому составу.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al – Si (силумины). Наличие большого количества эвтектики в структуре этих сплавов позволяет силуминам иметь высокую жидкотекучесть, малую усадку, отсутствие или низкую склонность к образованию горячих трещин и хорошую герметичность. Они хорошо свариваются. Единственным способом повышения механических свойств является измельчение структуры путем модифицирования, обычно натрием, которых в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы сплава.

Гранулированные сплавы получают путем компактирования из частиц (гранул), отлитых со сверхвысокой скоростью кристаллизации. Гранулы и готовые полуфабрикаты имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустранимую ликвацию. Самое большое их свойство это – метастабильное состояние.

Большой интерес представляют гранулированные сплавы алюминия с  элементами, практически нерастворимыми в нем, при равновесных условиях и сильно отличными от алюминия по плотности.

 

2.2. Сплавы на  основе магния.

Магний и его сплавы помимо низкой плотности имеют свойство хорошо обрабатываться резанием, способность воспринимать ударные и гасить вибрационные нагрузки. А так же легко шлифуются и полируются. Однако по удельной мощности магний близок к алюминию.

В настоящее время освоено  производство магния высокой чистоты (99, 9999 % Mg). При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 ºС на воздухе воспламеняется.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный  материал практически не применяется. Его используют в пиротехнике, в  химической промышленности для синтеза  органических соединений, в металлургии различных металлов и сплавов как раскислитель, восстановитель и легирующий элемент.

Достоинством магниевых  сплавов является высокая удельная прочность. В горячем состоянии  магниевые сплавы хорошо куются, прокатываются и прессуются.

Цирконий и церий оказывают  модифицирующее действие на структуру  сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Кроме того, цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влияния примесей железа и никеля на свойства сплавов.  Они образуют с этими элементами промежуточные фазы большой плотности, которые при кристаллизации выпадают на дно тигля, очищая тем самым сплавы от вредных примесей.

 К недостаткам магниевых  сплавов наряду с низкой коррозийной  стойкостью и малым модулем  упругости следует отнести плохие  литейные свойства, склонность к  газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Для защиты от коррозии изделия из магниевых сплавов подвергают оксидированию с последующим нанесением лакокрасочных покрытий.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные (МЛ) и деформируемые (МА); по механическим свойствам – на сплавы невысокой  и средней прочности, высокопрочные  и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки – на упрочняемые и не упрочняемые.

2.3. Пластмассы.

Материаллы, изготовленные на основе полимеров – пластмассы. Имеют малую плотность, высокую химическую стойкость, хорошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность и значительное тепловое расширение. Состав их композиций разнообразен:

Простые пластмассы  - это  полимеры без добавок,

Сложные пластмассы – это  смеси полимеров с различными добавками (наполнители, стабилизаторы, пластификаторы и т.д.)

Преимущества пластмасс в сочетании с удобством переработки обеспечили им применение в машиностроении, несмотря на ограниченную теплостойкость, малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами.

Термопластичные пластмассы (термопласты) в отличие от термореактивных нашли более широкое применение и производятся в больших количествах.

Механические свойства термопластов улучшаются при использовании в  качестве наполнителя стеклянного  волокна в количестве 20 – 30 % и  ухудшаются под влиянием окружающей среды – под действием света  и воздуха, при изменении температуры.

К материалам с малой плотностью, помимо всех перечисленных, так же относятся  клей и резины.

 

 

 

 

Список используемой литературы:

1. Материаловедение. Учебник для ВУЗов.- 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Издательство МГГУ, Ржевская С.В. ,  2005. - 456 с.
2. Материаловедение. Учебник для ВУЗов/ Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г.  Мухин и др.-3-е изд., стереотип.  - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.- 648с.