Конструкционная прочность материалов
В результате испытаний получают характеристики:
· силовые (предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести,
предел прочности, предел выносливости);
· деформационные (относительное удлинение, относительное сужение);
· энергетические (ударная вязкость).
Все они характеризуют общую прочность материала независимо от назначения,
конструкции и условий эксплуатации. Высокое качество детали может быть достигнуто
только при учете всех особенностей, которые имеют место в процессе работы детали, и
которые определяют ее конструкционную прочность.
Конструкционная прочность – комплекс прочностных свойств, которые находятся
в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия, обеспечивают
длительную и надежную работу материала в условиях эксплуатации.
На конструкционную прочность влияют следующие факторы:
· конструкционные особенности детали (форма и размеры);
· механизмы различных видов разрушения детали;
· состояние материала в поверхностном слое детали;
· процессы, происходящие в поверхностном слое детали, приводящие к отказам
при работе.
Необходимым условием создания качественных конструкций при экономном
использовании материала является учет дополнительных критериев, влияющих на
конструкционную прочность. Этими критериями являются надежность и
долговечность.
Надежность – свойство изделий, выполнять заданные функции, сохраняя
эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или сопротивление материала хрупкому разрушению.
Развитие хрупкого разрушения происходит при низких температурах, при наличии
трещин, при повышенных остаточных напряжениях, а также при развитии усталостных
процессов и коррозии.
Критериями, определяющими надежность, являются температурные пороги
хладоломкости, сопротивление распространению трещин, ударная вязкость,
характеристики пластичности, живучесть.
Долговечность – способность детали сохранять работоспособность до
определенного состояния.
Долговечность определяется усталостью металла, процессами износа, коррозии и
другими, которые вызывают постепенное разрушение и не влекут аварийных
последствий, то есть условиями работы.
Критериями, определяющими долговечность, являются усталостная прочность,
износостойкость, сопротивление коррозии, контактная прочность.
Общими принципами выбора критериев для оценки конструкционной прочности
являются:
· аналогия вида напряженного состояния в испытываемых образцах и изделиях;
· аналогия условий испытания образцов и условий эксплуатации (температура,
среда, порядок нагружения;
· аналогия характера разрушения и вида излома в образце и изделии.
Взаимодействие компонентов в сплавах. Общая характеристика, основы строения, условия образования и отличительные особенности химических соединений, твердых растворов и механических смесей.
Основные понятия в теории сплавов.
Система – группа тел выделяемых для наблюдения и изучения.
В металловедении системами являются металлы и металлические сплавы. Чистый металл является простой однокомпонентной системой, сплав – сложной системой, состоящей из двух и более компонентов.
Компоненты – вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.
Фаза – однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.
Вариантность (C) (число степеней свободы) – это число внутренних и внешних факторов (температура, давление, концентрация), которые можно изменять без изменения количества фаз в системе.
Если вариантность C = 1 (моновариантная система), то возможно изменение одного из факторов в некоторых пределах, без изменения числа фаз.
Если вариантность C = 0 (нонвариантная cистема), то внешние факторы изменять нельзя без изменения числа фаз в оистеме
Существует математическая связь между числом компонентов (К), числом фаз (Ф) и вариантностью системы ( С ). Это правило фаз или закон Гиббса
Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении, то число переменных уменьшится
где: С – число степеней свободы, К – число компонентов, Ф – число фаз, 1 – учитывает возможность изменения температуры.
Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов: механических смесей, твердых растворов, химических соединений
Строение металлического сплава зависит от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав. Почти все металлы в жидком состоянии растворяются друг в друге в любых соотношениях. При образовании сплавов в процессе их затвердевании возможно различное взаимодействие компонентов.
В зависимости от характера взаимодействия компонентов различают сплавы:
1. механические смеси;
2. химические соединения;
3. твердые растворы.
Сплавы механические смеси образуются, когда компоненты не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения.
Образуются между элементами значительно различающимися по строению и свойствам, когда сила взаимодействия между однородными атомами больше чем между разнородными. Сплав состоит из кристаллов входящих в него компонентов (рис. 4.1). В сплавах сохраняются кристаллические решетки компонентов.
Рис. 4.1. Схема микроструктуры механической смеси
Сплавы химические соединения образуются между элементами, значительно различающимися по строению и свойствам, если сила взаимодействия между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Особенности этих сплавов:
1. Постоянство состава, то есть сплав образуется при определенном соотношении компонентов, химическое соединение обозначается Аn Вm/
2. Образуется специфмческая, отличающаяся от решеток элементов, составляющих химическое соединение, кристаллическая решетка с правильным упорядоченным расположением атомов (рис. 4.2)
3. Ярко выраженные индивидуальные свойства
4. Постоянство температуры кристаллизации, как у чистых компонентов
Рис. 4.2. Кристаллическая решетка химического соединения
Сплавы твердые растворы – это твердые фазы, в которых соотношения между компонентов могут изменяться. Являются кристаллическими веществами.
Характерной особенностью твердых растворов является:наличие в их кристаллической решетке разнородных атомов, при сохранении типа решетки растворителя.
Твердый раствор состоит из однородных зерен (рис. 4.3).
Рис.4.3. Схема микроструктуры твердого раствора
Классификация сплавов твердых растворов
По степеням растворимости компонентов различают твердые растворы:
· с неограниченной растворимостью компонентов;
· с ограниченной растворимостью компонентов.
При неограниченной растворимости компонентов кристаллическая решетка компонента растворителя по мере увеличения концентрации растворенного компонента плавно переходит в кристаллическую решетку растворенного компонента.
Для образования растворов с неограниченной растворимостью необходимы:
1. изоморфность (однотипность) кристаллических решеток компонентов;
2. близость атомных радиусов компонентов, которые не должны отличаться более чем на 8…13 %.
3. близость физико-химических свойств подобных по строение валентных оболочек атомов.
При ограниченной растворимости компонентов возможна концентрация растворенного вещества до определенного предела, При дальнейшем увеличении концентрации однородный твердый раствор распадается с образованием двухфазной смеси.
По характеру распределения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя различают твердые растворы:
· замещения;
· внедрения;
· вычитания.
В растворах замещения в кристаллической решетке растворителя часть его атомов замещена атомами растворенного элемента (рис. 4.4 а). Замещение осуществляется в случайных местах, поэтому такие растворы называют неупорядоченными твердыми растворами.
Рис.4.4. Кристаллическая решетка твердых растворов замещения (а), внедрения (б)
При образовании растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атом растворенного элемента больше атома растворителя, то элементарные ячейки увеличиваются, если меньше – сокращаются. В первом приближении это изменение пропорционально концентрации растворенного компонента. Изменение параметров решетки при образовании твердых растворов – важный момент, определяющий изменение свойств. Уменьшение параметра ведет к большему упрочнению, чем его увеличение.
Твердые растворы внедрения образуются внедрением атомов растворенного компонента в поры кристаллической решетки растворителя (рис. 4.4 б).
Образование таких растворов, возможно, если атомы растворенного элемента имеют малые размеры. Такими являются элементы, находящиеся в начале периодической системы Менделеева, углерод, водород, азот, бор. Размеры атомов превышают размеры межатомных промежутков в кристаллической решетке металла, это вызывает искажение решетки и в ней возникают напряжения. Концентрация таких растворов не превышает 2-2.5%
Твердые растворы вычитания или растворы с дефектной решеткой. образуются на базе химических соединений, при этом возможна не только замена одних атомов в узлах кристаллической решетки другими, но и образование пустых, не занятых атомами, узлов в решетке.
К химическому соединению добавляют, один из входящих в формулу элементов, его атомы занимают нормальное положение в решетке соединения, а места атомов другого элемента остаются, незанятыми.
Вопрос 11.
Стали
Стали - сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор. Некоторые элементы могут быть введены специально для улучшения физико-химических свойств (легирующие элементы).
По структуре стали делятся на:
1) доэвтектоидные, содержащие до 0,8 % углерода (состав П+Ф);
2) эвтектоидные стали, содержащие 0,8 % углерода (П);
3) заэвтектоидные, содержащие более 0,8 % углерода (П+втор.Ц).
Точка D - эвтектоидная точка (при охлаждении из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита). Эвтектоидное превращение происходит не из жидкости, а из твердого раствора.
В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные. В свою очередь углеродистые стали могут быть:
1) малоуглеродистыми (содержание углерода менее 0,25%);
2) среднеуглеродистыми (содержание углерода составляет. 0,25 - 0,60%);
3) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%.
Легированные стали подразделяют на:
1) низколегированные - содержание легирующих элементов до 2,5%;
2) среднелегированные- т- 2,5 до 10% легирующих элементов;
3) высоколегированные - содержат свыше 10% легирующих элементов.
По назначениюстали бывают:
1) конструкционные, предназначенные для тельных и машиностроительных изделий;
2) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат
более 0,65% углерода;
3) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения (электротехническая сталь, инвар);
4) с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на:
1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и
до 0,07% фосфора.
2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
3. Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора.
4. Особо высококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,0] 5% серы.
По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, различают:
1) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные, обозначаются буквами "'сп" в конце марки;
2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";
3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ т, изгиб в холодном состоянии), сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.
Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.
Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А).
Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей,
3) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения (электротехническая сталь, инвар);
4) с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) стали подразделяют на:
1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и
до 0,07% фосфора.
2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
3. Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора.
4. Особо высококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,0] 5% серы.
По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, различают:
1) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные, обозначаются буквами "'сп" в конце марки;
2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";
3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ т, изгиб в холодном состоянии), сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.
Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.
Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А).
Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей,
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.
Чугуны, в отличие от сталей, заканчивают кристаллизацию образованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластической деформации и высокими литейными свойствами.
В зависимости от состояния углеродав чугуне, различают:
1) чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (белый чугун);
2) чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита (серый, высокопрочный, ковкий чугуны).
Белый чугун не содержит графита, весь углерод связан в цементите Fe3C. Белые чугуны, в зависимости от содержания углерода, делятся на:
1) доэвтектические - содержание углерода до 4,3% . Структура состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;
2) эвтектические - содержание углерода 4,3%. Структура состоит из ледебурита;
3) заэвтектические - содержание углерода более 4,3 %. Структура состоит из ледебурита и первичного цементита.
Точка С - эвтектическая. Эвтектическое превращение происходит из жидкости. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. В точке С одновременно в равновесии сосуществуют три фазы: жидкий расплав, аустенит и цементит.
Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. Под микроскопом графит будет наблюдаться в виде темных кривых полос на светлом фоне. По сравнению с металлической основой, графит имеет низкую прочность. Места его залегания можно рассматривать как нарушения сплошности. Серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств при испытаниях на растяжение. Однако серый чугун имеет и ряд преимуществ: позволяет получать дешевое литье, имеет хорошую . обрабатываемость резанием, высокие демпфирующие свойства.
Серый чугун маркируется двумя буквами СЧ и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления при растяжении в МПа.
Например: СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100МПа.
По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механические свойства чугунов растут. Округленная форма графита достигается модифицированием. При использовании в качестве модификатора магния в количестве до 0,5% получают высокопрочный чугун.
Высокопрочный чугун содержит углерод в свободном состоянии в виде шаровидных включений графита. Под микроскопом наблюдаются округлые темные зерна разного размера на светлом фоне. Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные детали. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрой, характеризующей величину временного сопротивления.
Например: ВЧ 35 — высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 350 МПа.
Ковкий чугун содержит углерод в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (длительный отжиг при температуре 1000°С). Под микроскопом наблюдается хлопьевидная фаза на светлом фоне.
Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами: первое - предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение.
Например: КЧ 35-10 - ковкий чугун с пределом прочности 350 МПа и относительным удлинением 10 %.
Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера включений графита.
Металлическая основа может быть:
1) перлитная (темная основа под микроскопом);
2) феррито-перлитная (чередование светлых и темных участков под микроскопом);
3) ферритная (светлая основа под микроскопом).
Структура металлической основы определяет твердость чугуна.
Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация является диффузионным процессом и протекает медленно. Процесс графитизации состоит из нескольких стадий:
1) образование центров, графитизации;
2) диффузия атомов углерода к центрам графитизации;
3)рост выделений графита.
Вопрос 12.
Диаграмма железо-цементит. Практическое значение
имеют сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 6,67
% (стали и чугуны). Поэтому рассматривают диаграмму со-
стояния сплавов железа с углеродом только до этой концентра-
ции, т.е. фактически рассматривается диаграмма железо-
цементит (Fe-Fe3C). На рисунке 2.4 приведена диаграмма со-
стояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси
концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67 %.
Левая вертикальная ось соответствует 100 % содержанию желе-
за. На ней отложены температура плавления железа и темпера-
туры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось
(6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита.
Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно ме-
ждународному стандарту и изменению не подлежит.
Линия ABCD диаграммы является линией ликвидус. На ней
начинается кристаллизация: на участке АВ – феррита, ВС – ау-
стенита и CD – первичного цементита. Линия AHJECF является
линией солидус диаграммы.
Рисунок 2.4 – Диаграмма состояния сплавов железа с цементитом
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания
углерода делятся на стали (до 2,14 % С) и чугуны (от 2,14 до
6,67% С).
Главная роль в диаграмме состояния железоуглеродистых
сплавов отводится её левой части – сталям, так как на превра-
щениях, происходящих в стали, основана термическая обработ-
ка. Рассмотрим эти превращения. В результате кристаллизации
образуется аустенит; при понижении температуры аустенит пре-
терпевает превращения, связанные с изменением кристалличе-
ской решётки, – с переходом γ-железа в α-железо, и со снижени-
ем растворимости углерода с понижением температуры.
В точке S, соответствующей содержанию углерода 0,8 %,
при температуре 727 °С аустенит полностью распадается, обра-
зуется перлит. Сталь, содержащую 0,8 % углерода, называют
эвтектоидной. Её структура состоит из одного перлита. Сталь,
содержащую менее 0,8 % углерода, называют доэвтектоидной,
а сталь с содержанием более 0,8% углерода – заэвтектоидной.
Переход чистого железа из модификации γ-железа в α-железо
происходит при температуре 911 °С.
Сплав, содержащий до 0,02 % углерода, не имеет после за-
вершения всех превращений в структуре перлита. Такой сплав
часто называют техническим железом. Структура технического
железа представляет собой зёрна феррита или феррит с неболь-
шим количеством третичного цементита.
Линия GSE диаграммы называется линией верхних крити-
ческих точек или линией начала превращения аустенита (при
охлаждении). Линия GS обозначается А3 (Ас3 – при нагревании,
Аr3 – при охлаждении). Линия SE обозначается Acml. Линия PSK
диаграммы (температура 727 °С) называется линией нижних
критических точек, или линией перлитного превращения (при
охлаждении). Она обозначается А1 (Ас1 – при нагревании, Аr1)
– при охлаждении).
Рассмотрим теперь превращения в чугунах. Точка С (4,3 %
углерода) представляет собой эвтектическую точку. Она соот-
ветствует температуре 1147 °С, при которой кристаллизуется
сплав указанного содержания углерода, при этом одновременно
выделяются из жидкого сплава кристаллы аустенита и первич-
ного цементита, образуя эвтектическую смесь – ледебурит. Его
структура представляет собой равномерную смесь кристаллов
аустенита с цементитом.