«Материаловедение». материаловедение. Курс лекций по оп04. Материаловедению для гр. 4181 Урок 29 Превращения в сплавах при нагреве и охлаждении
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
пермаллои, обладают наиболее высокими потребительскими свойствами. Для улучшения тех или иных характеристик в их состав вводят хром , молибден, медь и др. Величина их магнитной проницаемости превосходит аналогичные показатели для низкоуглеродистых сталей в 15-10 3 раз. Пермаллои - легко деформируемые сплавы. Однако деформация значительно ухудшает их первоначальные магнитные характеристики. Для восстановления свойств проводят термообработку по строго разработанному режиму: скорость нагрева (до 900...1000°С), выдержка и скорость охлаждения. Применяют их в аппаратуре , работающей в слабых частотных полях (телефон, радио). Для электротехнических сталей (ГОСТ 21427-75) принята маркировка, основаная на кодировании. В обозначении марки используют четыре цифры, причем, их значения соответствуют кодам, содержащим следующую информацию: · первый - структура материала (по наличию и степени текстуры) и вид прокатки (горячая или холодная деформация); · второй - химический состав по содержанию кремния; · третий - величины потерь тепловых и на гистерезис; · четвертый - значение нормируемого потребительского свойства. Электротехнические стали изготавливают в виде рулонов , листов и резаной ленты. Они предназначены для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока, якорей и полюсов электротехнических машин, роторов , статоров, магнитных цепей трансформаторов и др. Парамагнитными сталями являются аустенитные стали 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 55Г9Н9ХЗ, 40Г14Н9Ф2 и др. Их химический состав базируется на системе Fe + Cr + Ni - rTi. Основными потребительскими свойствами являются немагнитность и высокая прочность. Необходимая прочность достигается при деформационном и дисперсионном упрочнении изделий. К недостаткам этих сталей и сплавов следует отнести низкий предел текучести (150...350 МПа), что ограничивает область применения только малонагруженньгми конструкциями. Парамагнитные стали и сплавы применяют для изготовления немагнитных деталей конструкций в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Повышение износостойкости деталей, работающих в узлах трения достигается азотированием (стали 40Г14Н9Ф2 и др.) Урок №45 Износостойкие материалы Сталь - важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства. В машиностроении потребляется около 40 % от производства стали в стране, и по числу марок конструкционные стали являются самыми многочисленными. Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надѐжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. (работа была выполнена специалистами author24.ru) Свойства стали зависят от еѐ структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки, которая изменяет структуру, и легирования - эффективный способ повышения комплекса механических характеристик стали. Правильный выбор сталей позволяет получать надежные в эксплуатации и экономичные детали машин. Строительные конструкционные стали применяются для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также для арматуры железобетона. Капитальное строительство является вторым по масштабам после машиностроения потребителем стали. Эти стали должны иметь определенное сочетание прочностных и пластичных свойств, высокую вязкость, коррозионную стойкость, малую склонность к хрупким разрушениям, а также обладать хорошими технологическими свойствами: свариваемость, обрабатываемость, способность к изгибу, плавке и т.д. Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок. В настоящем реферате представлен обзор по различным видам конструкционных, инструментальных, высоколегированных и др. сталей. Урок № 46 Материалы с высокими упругими свойствами 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. Урок №47-48 Материалы с малой плотностью Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко применяют в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, су- достроении, строительстве и других отраслях промышленности. Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъем- ность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта. К основным конструкционным легким металлам относятся пластмассы, цветные металлы Mg, Be, Al, Ti и сплавы на их основе, а также компо- зиционные материалы. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при одновременном повышении их прочности и жесткости. Основными критериями при выборе конструк- ционных материалов в этом случае являются удельные прочность Ов/(р^) и жесткость E/(pg). По этим характеристикам легкие материалы неравноценны. Среди сплавов на основе Al, Mg и пластмасс лишь отдельные группы имеют такие свойства, которые указаны в табл. 12.1, а большинство не обладает высокими прочностью, удельной прочностью и удельной жесткостью. Эти материалы предназначены главным образом для изготовления мало- и среднена-груженных деталей. Материалы с высокой удельной прочностью (сплавы Ti, Be, композиционные материалы) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. Свойства алюминия. Алюминий-металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений и кристаллизируется в решетке гранецентрированного куба с периодом а == 0,4041 нм. Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электропроводимостью , высокой пластичностью и коррозионной стойкостью . Примеси ухудшают все эти свойства. Постоянные примеси алюминия Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999 (:$ 0,001% примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15 1 % примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют А ДО и АД1. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 12.2). Ввиду низкой прочности алюминий применяют для ненагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Так, из него изготовляют рамы, двери, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообменников, в промышленных и бытовых холодильниках. Высокая электропроводимость алюминия способствует его широкому применению для конденсаторов, проводов, кабелей, шин и др. (см. п. 17.1). Из других свойств алюминия следует отметить его высокую отражательную способность, в связи с чем он используется для прожекторов, рефлекторов, экранов телевизоров. Алюминий имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов . Oн хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Алюминий имеет большую усадку затвердевания (6 %). Высокая теплота плавления и теплоемкость способствуют медленному остыванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алюминия и его сплавов путем модифицирования, рафинирования и других технологических операций. Урок № 49 Материалы с высокой удельной прочностью Материалы с высокой проводимостью. К материалам этого типа предъявляются следующие требования: минимальное значение удельного электрического сопротивления; достаточно высокие механические свойства (главным образом предел прочности при растяжении и относительное удлинение при разрыве); способность легко обрабатываться, что необходимо для изготовления проводов малых и средних сечений; способность образовывать контакты с малым переходным сопротивлением при пайке, сварке и других методах соединения проводов; коррозионная стойкость. Основным является требование максимальной удельной проводимости материала. Однако электропроводность металла может снижаться из-за загрязняющих примесей, деформации металла, возникающей при штамповке или волочении, что приводит к разрушению отдельных зерен металла. Влияние деформаций металла на ею электропроводность устраняется при отжиге, во время которого уменьшается число дефектов в металле и увеличиваются средние размеры кристаллов металла. В связи с этим проводниковые материалы используют в основном в отожженном (мягком) состоянии. Наиболее распространенными современными материалами высокой проводимости, применяемыми в радиоэлектронике, являются цветные металлы (медь, алюминий, цинк, олово, магний, свинец) и черные металлы (железо), которые применяются в чистом виде. Еще шире используют сплавы этих металлов, так как они обладают лучшими свойствами и более дешевы по сравнению с чистыми металлами. Однако цветные металлы и их сплавы экономически целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимые свойства изделий нельзя получить, применяя черные металлы, чугун и сталь. Для улучшения свойств цветные сплавы подвергаются термической обработке - отжигу, закалке и старению. Отжиг влияет на мягкость материала и уменьшает напряжения в отливках. Закалка и старение повышают механические свойства. 2. Медь и ее сплавы Медь. Медь является одним из самых распространенных материалов высокой проводимости. Она обладает следующими свойствами: малым удельным электрическим сопротивлением (из всех металлов только серебро имеет удельное электрическое сопротивление на несколько процентов меньше, чем у меди); высокой механической прочностью; удовлетворительной коррозионной стойкостью (даже в условиях высокой влажности воздуха медь окисляется значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах); хорошей паяемостью и свариваемостью; хорошей обрабатываемостью (медь прокатывается в листы и ленты и протягивается в проволоку). Свойства медной проволоки приведены ниже. Марка ……………………………………………………………………………………… ………………МТ…………………………………………………ММ Плотность, D, кг/м3…………………………………………………………………8,96·103…… ………………………………8,90·103 Удельное электрическое сопротивление r, мкОм•м, не более……………………………0,0179... 0,0182 0,0175 Предел прочности при растяжении s , МПа, не менее……………………………………………………………………………… ……360...390 260...280 Относительное удлинение при разрыве Dl/l,%……………………………………………………………………0,5...2,5 18...35 Медь получают чаще всего в результате переработки сульфидных руд. Примеси снижают электропроводность меди. Наиболее вредными из них являются фосфор, железо, сера, мышьяк. Содержание фосфора примерно 0,1% увеличивает сопротивление меди, на 55%. Примеси серебра, цинка, кадмия дают увеличение сопротивления на 1…5%. Поэтому медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно подвергается электролитической очистке. Катодные пластины меди, полученные в результате электролиза*, переплавляют в болванки массой 80…90 кг, которые прокатывают и протягивают, создавая изделия необходимого поперечного сечения. Для изготовления проволоки болванки сначала подвергают горячей прокатке в катанку диаметром 6,5...7,2 мм, которую затем протягивают без подогрева, получая проволоку нужных поперечных сечений. В качестве проводникового материала используют медь марок М1 и МО. Медь марки М1 содержит 99,9% меди, не более 0,1% примесей, в общем количестве которых кислорода должно бы не более 0,08%. Медь марки МО содержит примесей не более 0,05 в том числе кислорода не более 0,02%. Благодаря меньшему держанию кислорода медь марки МО обладает лучшими механическими свойствами, чем медь марки М1. Еще более чистым проводниковым металлом (не более 0,01% при *Совокупность процессов электрохимического окисления - восстановления, происходящих на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока. месей) является вакуумная медь марки МВ, выплавляемая в вакуумных индукционных печах. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая обладает высоким пределом прочности при растяжении, твердостью и упругостью (при изгибе проволока из твердой меди несколько пружинит). Твердую медь применяют в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию: для контактных проводов, шин распределительных устройств, для коллекторных пластин электрических машин, изготовления волноводов, экранов, токопроводящих жил кабелей и проводов диаметром до 0,2 мм. После отжига до нескольких сотен градусов (медь рекристаллизуется при температуре примерно 270°С) с последующим охлаждением получают мягкую (отожженную) медь (ММ). Мягкая медь имеет проводимость на 3…5% выше, чем у твердой меди. Мягкая отожженная медь служит электротехническим стандартом, по отношению к которому удельную электрическую проводимость металлов и сплавов выражают при температуре окружающей среды 20 °С. Удельная электрическая проводимость такой меди равна 58 мкСм/м, соответственно r = 0,017241 мкОм-м при значении ТКr = 4,3·10-3К-1. Мягкая медь широко применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил круглого и прямоугольного сечения в кабелях и обмоточных проводах, где важна гибкость и пластичность (отсутствие «пружинения» при изгибе), а прочность не имеет большого значения. Из специальных электровакуумных сортов меди изготавливают аноды мощных генераторных ламп, детали СВЧ устройств: магнетронов, клистронов, некоторых типов волноводов и др. Медь сравнительно дорогой и дефицитный материал, поэтому она должна расходоваться экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо собирать, не смешивая с другими металлами и менее чистой медью, чтобы их можно было переплавить и снова использовать. В ряде случаев медь как проводниковый материал заменяют другими металлами, чаще всего алюминием. В ряде случаев, когда от проводникового материала требуется не только высокая проводимость, но и повышенные механическая прочность, коррозионная стойкость и сопротивляемость истиранию, применяют сплавы меди с небольшим содержанием легирующих примесей. |