Критерии оценки и выбора материалов

5. Методы исследования металлов и сплавов. Внутреннее строение, или структуру, металлов и их дефекты изучают с помощью макроструктурного, микроструктурного, магнитного, люминесцентного, ультразвукового, рентгеновского и γ-дефектоскопического методов анализа. Макроструктура — это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроструктурный анализ используют для выявления формы и расположения зерен в литом металле, направления волокон в поковках и штамповках, местонахождения, размеров и форм нарушения сплошности, дефектов сварки, оценки толщины поверхностного слоя в изделиях, подвергнутых специальной поверхностной обработке, и др. Его осуществляют просмотром отшлифованной, отполированной и протравленной поверхности металлического изделия или макрошлифа (вырезанного из заготовки или металлоизделия темплета), поверхность которого шлифуют и протравливают. Микроструктурный анализ — это исследование структуры металлов и сплавов с помощью микроскопов с увеличением от 1500 до 100000. Его осуществляют посредством изучения микрошлифов — вырезанных из металлоизделия или заготовки образцов, поверхность которых шлифуют, полируют и подвергают травлению специальными реактивами. При использовании электронных микроскопов рассматривают тонкий прозрачный слепок с микрошлифа — фольгу, или реплику. В последнее время для исследования структуры и свойств металлов широко применяются методы фрактографии, позволяющие исследовать строение изломов, т. е. поверхностей, образующихся в результате разрушения металлоизделий или заготовок. Изломы изучают посредством макро- и микроструктурного анализа. Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) применяется для выявления трещин, волосовин, раковин и других дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок окиси железа или его суспензия в керосине. Частицы порошка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по силовым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты. Люминесцентный метод (люминесцентная дефектоскопия) используется для выявления поверхностных дефектов изделий (микротрещин). Он основывается на свойстве некоторых органических веществ светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещины раствор под действием лучей светится, тем самым позволяя их выявить. С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа. Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия) применяется для контроля литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соединений. Он заключается в просвечивании деталей рентгеновским излучением и фиксировании выходящего излучения на специальной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях. Разновидностью рентгеновского метода является γ-дефектоскопия.

6. Методы испытаний материалов. Механические и технологические методы испытаний используются для исследования прочности, деформируемости, пластичности, вязкости и характера разрушения изделия. К этой же группе относят определение свойств поверхности, например, твердости и сопротивления износу.Различают механические испытания, использующие статическое нагружение [4–6]. В этом случае для определения характеристик прочности и пластичности образец исследуемого материала подвергается действию постоянной или медленно и плавно (квазистатически) повышающейся нагрузки. Виды нагружения при этом: растяжение; изгиб; кручение; срез. Статические испытания на растяжение. Из всех способов механических испытаний наибольшее распространение имеют испытания на растяжение. Их применяют при разработке новых материалов, при расчете их характеристик и для контроля качества изготовления. В целом эти испытания служат для исследования поведения материала при одноосном нагружении, при котором растягивающая нагрузка равномерно распределена на все поперечное сечение образца. Качественное сравнение материалов производят по диаграммам напряжение – относительное удлинение. По ним видно различие материалов по своим характеристикам прочности и пластичности. Испытания на изгиб и кручение. Испытание на изгиб в основном находит применение для исследования сравнительно хрупких материалов. Для вязких металлических материалов изгибающую нагрузку можно продолжать прикладывать за пределом текучести без разрушения материала.Характеристики прочности и пластичности при изгибе определяют при двух модификациях этого испытания: трехточечном и четырехточечном изгибе.Определение твердости. В технике наиболее часто понятие «твердость» определяют как сопротивление, оказываемое телом при внедрении в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость относится к наиболее часто используемым методам механических испытаний материалов, поскольку, с одной стороны, с его помощью можно определить с известными ограничениями и оговорками количественные связи с иными свойствами или поведением материала при определенных нагрузках; с другой стороны, процесс определения твердости требует относительно небольших затрат. При этом речь идет только о сравнительных измерениях. Непосредственное заключение об эксплуатационных характеристиках материала возможно лишь в случае подбора для узких конкретных условий эмпирических коэффициентов. Циклическое нагружение. На многие детали и элементы конструкций действуют динамические нагрузки в режиме колебаний. При этом под колебаниями понимают не только движение масс различных систем, но и повторно-переменные нагрузки разного вида. В таком случае идет речь о циклических нагрузках. На процесс повреждения и тем самым на долговечность при циклическомнагружении влияют многие факторы. Физические методы испытаний С помощью физических методов испытаний определяют величины физических характеристик материалов и их зависимость от различных внешних факторов таких, как температура, давление, состав и др. Эти методы применяют для определения эксплуатационных свойств материалов или для проведения неразрушающего контроля их качества и определения дефектов.Физические методы испытаний позволяют проводить измерение механических свойств, например, таких, как плотность, константы упругости. Их применяют для измерения тепловых свойств (коэффициент теплового расширения, удельная теплоемкость, теплопроводность и др.), электрических, оптических, магнитных свойств и эффектов.Физическим методам испытания материалов предшествует определение их химического состава. Металлографические исследования Первоначально металлография как наука занималась исследованием строения (структуры) металлических материалов. В настоящее время металлографические методы используют для исследований полимерных и керамических материалов [7]. Для исследования строения (структуры) материалов применяются самые разнообразные методы, большинство которых основано на физических принципах. В большинстве случаев исследование строения материалов начинают с помощью наиболее широко используемого и простого метода – светового микроскопа. Методы неразрушающего контроля основаны на взаимодействии различных форм энергии с материей. Они предназначаются для выявления вида, величины и частоты расположения несплошностей (дефектов) и часто используются для непрерывного контроля параметров качества. Эти методы имеют высокое технико-экономическое значение в конкретных технологических условиях производства и для безопасной работы при эксплуатации машин, конструкций и т. п.

7. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток. Период. Координационное число. Под структурой понимают внутреннее строение металлов и сплавов, которое характеризуется определенным закономерным расположением атомов и молекул, образующих кристаллическую решетку.Пространственное размещение атомов в кристалле может быть различным. Следовательно, и у металлов кристаллические решетки могут быть различными. Наиболее распространенными считаются кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная (рис. 1,а), кубическая гранецентрированная (рис. 1, б), гексогональная (рис. 1, в). Кубическую объемно-центрьрованную решетку имеют а-железо, хром, ванадий, молибден, волйдюам и др.; кубическую гранецентри-рованную — у=железо, алюминий, медь; никель, свинец и др.; гексого-нальную — цинк, магний, бериллий, кадмий и др. Кристаллизация происходит при охлаждении металла до определенной температуры, когда в нем образуются центры кристаллизации или мельчайшие кристаллические зародыши. Дальнейшее охлаждение способствует группированию вокруг центров атомов и появлению новых зародышей. Пока кристаллы окружены жидкостью, процесс происходит свободно, они имеют правильную геометрическую форму; но наступает период, когда кристаллы сталкиваются друг с другом и со стенками изложницы и форма их нарушается. Таким образом, форма зерен зависит от условий прохождения процесса кристаллизации, характера и количества примесей в жидком металле. Образовавшиеся кристаллы приобретают древовидные, игольчатые, пластинчатые и другие подобные формы.

8. Дефекты кристаллического строения металлов. Кристаллическая решетка, в которой отсутствуют нарушения сплошности и все узлы заполнены однородными атомами называется идеальной кристаллической решеткой металла. В решетке реального металла могут находиться различные дефекты.Все дефекты кристаллической решетки принято делить на точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные дефекты соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т. е. незаполненные узлы решетки, межузельные атомы данного металла (рис 1.8), примесные атомы замещения, т. е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях (рис 1.9). Влияние этих дефектов на прочность металла может быть различным в зависимости от их количества в единице объема и характера. Линейные дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т. е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей. Дислокации бывают двух видов. Поверхностные дефекты включают в себя главным образом границы зерен (рис.1.13). На границах кристаллическая решетка сильно искажена. В них скапливаются перемещающиеся изнутри зерен дислокации. Объемные дефекты кристаллической решетки включают трещины и поры. Наличие данных дефектов, уменьшая плотность металла, снижает его прочность. Кроме того, трещины являются сильными концентраторами напряжений, в десятки и более раз повышающими напряжения создаваемые в металле рабочими нагрузками. По­следнее обстоятельство наиболее существенно влияет на прочность металла.

9. Механизм процесса кристаллизации. Строение слитка. При переходе из жидкого состояния в твердое - образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией. Еще в 1878 г. Д. К. Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов. Первый процесс заключается в зарождении мельчайших частиц кристаллов, которые Чернов назвал «зачатками», а теперь их называют зародышами или центрами кристаллизации. Второй процесс состоит в росте кристаллов из этих центров .Строение слитка. Итак, структура литого слитка состоит из трех основных зон. Первая зона - наружная мелкозернистая корка, состоящая из дезориентированных мелких кристаллов - дендритов. При первом соприкосновении со стенками изложницы в тонком прилегающем слое жидкого металла возникает резкий градиент температур и явление переохлаждения, ведущее к образованию большого количества центров кристаллизации. В результате корка получает мелкозернистое строение. Вторая зона слитка - зона столбчатых кристаллов. После образования самой корки условия теплоотвода меняются (из-за повышения температуры стенки изложницы, уменьшения теплообмена, т.к. появилось еще две границы раздела твердое - жидкое и твёрдое - стенка изложницы и др. причины), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения. В результате из небольшого числа центров кристаллизации начинают расти нормально ориентированные к поверхности корки столбчатые кристаллы (в сторону отвода тепла). Третья зона слитка - зона равноосных кристаллов. В центре слитка уже нет определенной направленности отдачи тепла. Поэтому температура выравнивается и кристаллы растут по различным направлениям, встречаясь друг с другом. В результате этого образуется равнооснаяструктура.Расположение двух последних зон в слитке имеет большое значение.В зоне столбчатых кристаллов металл более плотный, он содержит меньше раковин и газовых пузырей. Однако места стыков столбчатых кристаллов имеют малую прочность. Кристаллизация, приводящая к стыку зон столбчатых кристаллов, носит название транскристаллизации. Степень развития столбчатых кристаллов будет варьироваться главным образом в зависимости от химического состава металла, степени его перегрева, от размера слитка, скорости разливки, формы изложницы и толщины, а также температуры ее стенок. Это будет влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема стали.Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся, поэтому залитый в форму металл в процессе кристаллизации сокращается в объеме, что приводит к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Усадочные раковины могут быть либо сконцентрированы в одном месте, либо рассеяны по всему объему слитка или по его части. Поэтому, чтобы отлитое изделие не содержало в себе такого дефекта, как усадочная раковина, прибегают к такому технологическому приему, как изготовление теплой головы - увеличение объема формы, где бы и сконцентрировалась усадочная раковина. В то время как изделие будет без пор.

10. Диаграммы фазового равновесия. Определение терминов: система, компонент, фаза. Виды фаз. Диаграмма состояния (фазовая диаграмма), графическое изображение всех возможных состояний термодинамической системы в пространстве основных параметров состояния - температуры Т, давления р и состава х (обычно выражаемого молярными или массовыми долями компонентов). Для сложных систем, состоящих из многих фаз и компонентов, построение диаграмма состояния является единственным методом, позволяющим на практике установить, сколько фаз и какие конкретно фазы образуют систему при данных значениях параметров состояния. Каждое реально существующее состояние системы на диаграмме состояния изображается так называемой фигуративной точкой; областям существования одной фазы отвечают участки пространства (на трехмерных диаграммах состояния) или плоскости (на двухмерных диаграммах состояния), условиям сосуществования фаз соответствуют поверхности или линии; изменение фазового состояния системы рассматривается как движение фигуративной точки на диаграмме состояния. Анализ относительного расположения объемных участков, поверхностей, линий и точек, которые образуют диаграмму состояния, позволяет однозначно и наглядно определять условия фазового равновесия, появления в системе новых фаз и химических соединений, образования и распада жидких и твердых растворов и т. п.Для построения диаграммы состояния расчетным путем необходимо знать зависимости химических потенциалов всех компонентов системы от Т, р и состава фаз. Приближенные методы расчета с применением ЭВМ интенсивно развиваются, в частности, для многокомпонентных сплавов. Однако пока диаграммы состояния строят на основе экспериментальных данных, получаемых главным образом термическим анализом, который позволяет определять зависимости температур плавления или кристаллизации от состава, а также изучением равновесий жидкость - пар и жидкость - жидкость. Широко используют рентгеновский фазовый анализ, данные о микроструктуре затвердевших расплавов, измерения физических свойств фаз (см. Диаграмма состав-свойство). Изучение диаграмм состояния составляет основное содержание физико-химического анализа. Фаза – это однородная часть системы, которая отделена от других частей системы (фаз) поверхностью раздела при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком. Компонентами называются вещества, образующие систему.

Поиск по сайту: