Конспект лекций для специальности 230100 Сервис и техническая эксплуатация транспортных средств, технологических машин и оборудования
Скачать 303.85 Kb.
|
Министерство образования Российской Федерации Владивостокский государственный университет экономики и сервиса  Коршунова Татьяна Евгеньевна М А Т Е Р И А Л О В Е Д Е Н И Е Конспект лекций для специальности 230100 Сервис и техническая эксплуатация транспортных средств, технологических машин и оборудования Владивосток Издательство ВГУЭС 2005 1. СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И СПОСОБЫ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ 1.1. Кристаллическое строение металлов У всех металлов и их сплавов строение кристаллическое. Кристаллические зерна неопределенной формы не похожи на типичные кристаллы — многогранники, поэтому их называют зернами. При затвердевании атомы металлов образуют кристаллы, которые можно рассматривать как геометрически правильные системы, построенные в виде кристаллических решеток. Порядок расположения атомов в решетке может бытъ различным. Многие важнейшие металлы образуют решетки, расположение атомов в элементарных ячейках которых представляет форму центрированного куба (α- и β-железо, α -титан, хром, молибден, вольфрам, ванадий), куба с центрированными гранями (γ-железо, алюминий, медь, никель, свинец, β - кобальт) или гексагональную, как у шестигранной призмы, ячейку (магний, цинк). Большинство технических металлов имеют кристаллические решетки: объемно-центрированную кубическую, кубическую гранецентрированную или гексагональную. В узлах решеток находятся положительно заряженные ионы. Ионы не находятся в покое, а непрерывно колеблются около положения равновесия. С повышением температуры амплитуда колебаний увеличивается, что вызывает расширение кристаллов, а при температуре плавления колебания частиц усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается. Кристаллы имеют дефекты и их структура отличается от идеальных решеток. Точечными дефектами являются пустые узлы или вакансии и межузельные атомы; количество этих дефектов возрастает с повышением температуры. Важнейшими линейными дефектами являются дислокации (краевые и винтовые), представляющие как бы сдвиг части кристаллической решетки. Дислокации характеризуются большой протяженностью в одном направлении и малой в другом. Дефекты кристаллов оказывают существенное влияние на механические, физические, химические и технологические свойства металлов. В отдельных кристаллах свойства различны в разных направлениях. Если взять большой кристалл, вырезать из него несколько одинаковых по размеру, но различно ориентированных образцов, и испытать их свойства, то иногда наблюдается значительная разница в свойствах отдельных образцов. Это свойство кристаллов называют анизотропностью. Анизотропность кристаллов объясняется особенностями расположения атомов в пространстве. Аморфные тела изотропны, т. е. все эти свойства одинаковы во всех направлениях. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривленную, так называемую раковистую, поверхность. Металлы, затвердевшие в обычных условиях, состоят не из одного кристалла, а из множества отдельных кристаллитов, различно ориентированных друг к другу, поэтому свойства литого металла приблизительно одинаковы во всех направлениях; это явление называют квазиизотропностью (кажущейся изотропностью). Аллотропия металлов (или полиморфизм) — их свойство перестраивать решетку при определенных температурах в процессе нагревания или охлаждения. Аллотропию обнаруживают все элементы, меняющие валентность при изменении температуры, например железо, марганец, никель, олово и др. Каждое аллотропическое превращение происходит при определенной температуре. Например, одно из превращений железа происходит при температуре 911°С, ниже которой атомы составляют решетку центрированного куба, а выше - решетку гранецентрированного куба. Структура, имеющая ту или иную решетку, называется аллотропической формой или модификацией. Кристаллизацией металлов называется образование кристаллов в металлах (и сплавах) при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). К вторичной кристаллизации относят превращения в затвердевшем металле при его остывании. Сюда относятся перекристаллизация из одной модификации в другую (полиморфные превращения), распад твердых растворов, распад (а также образование) химических соединении. Температура, соответствующая какому-либо превращению в металле, называется критической точкой. Переход из жидкого состояния в твердое при охлаждении сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить несколько ниже температуры плавления. При затвердевании и при аллотропическом превращении и металле вначале возникают зародыши кристалла (центры кристаллизации), вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Центрами кристаллизации могут служить неметаллические включения. Таким образом, процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу и точки их соприкосновения определяют границы зерен. 1.2. Основные свойства металлов У металлов выделяют механические, технологические, физические и химические свойства. К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и при фазовых превращениях; к химическим - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жаростойкость; к механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность; к технологическим - прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием. Прочность - способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности; для некоторых, например, алюминиевых сплавов или титана, она выше, чем для стали. Твердостью называется сопротивление тела деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии. Упругость - свойство материалов восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию). Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность - свойство, обратное упругости. Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения. Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия, а также испытания на обрабатываемость резанием, коррозионные испытания металлов и др. Эти испытании дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий. Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, — это достаточная прочность. Металлы - прочные материалы, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов. Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке. Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать). Эксплуатационные свойства. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяют инструментальные стали и сплавы, а для рессор и пружин - стали и сплавы, обладающие высокой упругостью. Физические свойства. Вес деталей часто является важнейшей характеристикой. Способность плавиться при нагревании используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, электронагревательных приборов. Магнитные свойства металлов играют роль в электромашиностроении (электрические генераторы, электродвигатели, трансформаторы), в приборостроении (телефонные и телеграфные аппараты) и т.д. Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п. Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие сплавы применяют для изготовления точных приборов. Расширение металлов должно приниматься во внимание при строительстве длинных сооружений, например мостов, трубопроводов. Нужно также учитывать, что две детали из металлов с разным коэффициентом расширения и скрепленные между собой при нагревании изгибаются. Химические свойства. Коррозионная стойкость важна для изделий, работающих в химически активных средах (колосниковые решетки, детали машин в химической промышленности). Для деталей и сооружений, которые должны обладать высокой коррозионной стойкостью, производят специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаростойкие стали. Для изделий также применяют защитные покрытия. Технологические свойства. Технологические свойства имеют важное значение при тех или иных видах обработки (обработка давлением, сварки и др.). 1.3. Механические испытания Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. Детали машин, механизмов и сооружений работают под различного вида нагрузками: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих - силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах, при действии коррозии и т. п.; такие детали работают в сложных условиях. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, динамические испытания. Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей медленно. Динамическими называют испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающей быстро. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов. Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние и материал находится под действием нормальных и касательных напряжений. Для статических испытаний изготовляют обычно круглые образцы 1 (рис. 1) испытуемого металла или плоские (2) для листовых материалов. Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления их в захватах разрывной машины.  Рис. 1. Образцы для статических испытаний на растяжение Расчетная длина l0 берется несколько меньше рабочей длины l1. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными. Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется. На рис. 2 приведена диаграмма растяжения “мягкой” стали. По оси ординат отложено усилие Р, Н (кгс), по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца ∆l, мм). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва испытуемого образца.  Рис. 2. Диаграмма растяжения «мягкой» стали Величина напряжения в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилия Р на площадь поперечного сечения образца до испытания. Напряжение обозначается σ. По диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОА является отрезком прямой и показывает, что до точки А удлинение образца пропорционально нагрузке; каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорциональности. При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации образца упругие. Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки; металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести Предел текучести σт определяется по формуле σт = Pс / F0, где Рc — нагрузка в точке С. Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести на диаграммах растяжения. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении, равном 0,2 %. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0,2 % своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается σ0,2: σ0,2 = P0,2 / F0. Точка D показывает наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле σв = PD / F0, где PD - нагрузка в точке D. До точки D удлинение ∆l3 образца и сужение его поперечного сечения происходят равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точки D деформация образца сосредоточивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинение ∆l4 протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузке РK. При разрыве упругая деформация ∆lуп исчезает (величина упругой деформации в любой точке кривой (рис.2) будет соответствовать отрезку, отсекаемому на абсциссе нормалью этой точки, и прямой, проведенной из этой точки и параллельной отрезку О А) и абсолютное остаточное удлинение ∆lост сложится из удлинения равномерного ∆l1 и удлинения местного ∆l2 т. е. ∆lост = ∆l1 + ∆l2. Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение δ и относительное сужение площади поперечного сечения Ψ в процентах. Относительное удлинение (%) определяют по формуле  где l1 - длина образца после разрыва, мм; l0 - расчетная длина образца, мм. При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения образца. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (%) определяют по формуле  ,где F0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм2; F1 - площадь в месте разрыва, мм2. Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют характеристики прочности σyп, σт (или σ0,2 ), σв и характеристики пластичности δ и Ψ. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Сервис и техническая эксплуатация транспортных средств, технологических машин и оборудования | | Отчет о результатах самообследования специальности 190603. 65 «Сервис... Разработанные кафедрой ат рабочие учебные планы подготовки специалистов по специальности 190603. 65 «Сервис транспортных и технологических... |
 | Программа итоговой государственной аттестации выпускников по специальности... Программа государственной аттестации выпускников по специальности 190603. 65 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования»... | | Учебно-методическое пособие по курсовому проектированию для студентов... ... |
| Конспект Тренинг толерантности Экзаменационные вопросы по бжд для студентов специальности 190603. 65 – «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования... | | Отчет о самообследовании основной образовательной программы по направлению... Бузулукский гуманитарно-технологический институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины специализации студентам очной, заочной формы обучения специальности 230100... | | Рабочая программа учебной дисциплины «Металлорежущие станки и инструменты» Рабочая программа предназначена для преподавания факультативной дисциплины цикла Б7 студентам очной формы обучения по направлению... |
| Программа По специальности 190605 «Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования» | | Тема мероприятия Экзаменационные вопросы по бжд для студентов специальности 190603. 65 – «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования... |
| Календарно-тематический план на ... | | Рабочая программа учебной дисциплины «транспортное право» Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплины «Транспортное право» вариативной части гуманитарного, социального и экономического... |
| Рабочие программы дисциплин в структуре Основной образовательной... Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов (профиль "Эксплуатация перегрузочного оборудования портов и транспортных... | | Проректор по учебной работе Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт) |
| Основная образовательная программа высшего профессионального образования... Ооп) бакалавриата, реализуемая вузом по направлению подготовки 190600. 62 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов... | | Рабочая программа по дисциплине сд. 05 Технология и организация восстановления... По специальности 190603 Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (автомобильный транспорт) |
