Модуль 1. Учебно-методический комплекс

(технология конструкционных материалов)

Учебно-методический комплекс

Редактор М.Ю. Комарова

Оригинал-макет выполнил А.В. Сивенков

Лицензия ЛР № 202308 от 14.02.97г.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953 Л.005641.11.03 от 21.11.2003 г.

_____________________________________________________________________________________

Подписано в печать ____.05.2008. Формат 60´84¹/₁₆.

Б. кн. -журн. П.л. ______. Б.л. ______. Изд-во СЗТУ.

Тираж _______. Заказ _______

________________________________________________________________________

Северо-Западный государственный заочный технический университет

Издательство СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации

университетов России

191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5

[1]К сожалению в учебных планах рядя специальностей эти дисциплины изучаются параллельно или позже курса материаловедения. В таком случае материаловедческая подготовка будет полезна для освоения этих дисциплин.

[2] Все изложенное в этом разделе в общих чертах справедливо для любых металлических (металлов и сплавов) и неметаллических материалов.

[3] Из (1.1.2) видно, что прочностные характеристики измеряются в Н/м² = Па или кгс/мм² = 10МПа.

[4] От нем. Härte – твердость.

[5] Прямой метод изучения структуры – микроанализ - исследование микроструктуры материалов с помощью микроскопов; ему посвящен ряд лабораторных работ.

[6] В дальнейшем всюду, где требуется сокращение записи, цементит обозначен буквой Ц.

[7] Железо, существующее в интервале 1392…1539 ^оС, часто обозначают как δ–Fe (Fe_δ), хотя это та же модификация α.

[8] Всюду в данном пособии твердость по Бринеллю (НВ) дается в МПа.

[9] Такие структуры формируются в соответствии с диаграммой фазового равновесия Fe–Ц при очень медленном охлаждении из жидкого состояния. Быстрое охлаждение может привести к появлению иных структур (см. тему 2.2).

[10] В легированных сталях с большим количеством специальных примесей структура может принципиально измениться по сравнению с рассматриваемыми здесь углеродистыми сталями (см. тему 2.3).

[11] По сравнению с Ф, присутствующим в перлите.

[12] Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы в сплавах, содержащих > 2,14 %С, принято называть первичным (Ц_I).

[13] Помимо рассмотренных есть еще три структуры белых чугунов (подробнее в 2.1.4).

[14] Именно поэтому в реальных изделиях из заэвтектоидных сталей сетку Ц_II специальной термомеханической обработкой преобразуют в мелкие равномерно распределенные кристаллики "зернистого цементита".

1 К конструкционным относят так же стали с высоким содержанием углерода (0,6…0,85 %С). Эти стали (марки 60, 65, 70, 75, 80, 85) применяют главным образом в качестве рессорно-пружинных, а также для деталей с повышенными требованиями по прочности, упругости и износостойкости (шпиндели, эксцентрики, диски сцепления, прокатные валки и др.)

1 Перлитное превращение (формула 2.1) называется эвтектоидным, что означает "похожее на эвтектическое"; разница в том, что исходной фазой эвтектоидного превращения является не жидкая, а какая-то (третья) твердая фаза (в данном случае аустенит).

[15] Отсюда их название – более темный по сравнению с белыми чугунами оттенок излома.

[16] Наилучшим образом такое состояние достигается путем отжига (см. ниже раздел 2.2); практически же часто имеется в виду исходное «сырое» состояние поставки стали.

[17] Стали, в которые специально вводятся примеси – легирующие элементы (см. ниже, раздел 2.3); очевидно, они еще дороже качественных углеродистых, поэтому экономически нецелесообразно использовать изделия из этих сталей в неупрочненном состоянии.

[18] Обычно перед закалкой делается отжиг для улучшения структуры заготовок и облегчения механической обработки. Отжиг – нагрев стали до аустенитного состояния и последующее медленное охлаждение с печью, в результате чего формируется равновесная структура в стали в соответствии с диаграммой Fe–Ц.

[19] Поскольку в до – и заэвтектоидных сталях помимо перлитного превращения (2.2.1) происходят изменения в структуре на линияхА₃ и А_сm диаграммы Fe–Ц, то и «С – диаграммы» этих сталей выглядят сложнее. Однако главные процессы, происходящие при закалке сталей, могут быть поняты с помощью наиболее простой диаграммы, приведенной на рис. 2.2.2.

[20] Названия последних структур – по фамилиям исследователей: Sorby и Troost.

[21] Это осуществляется использованием закалочных сред с различными охлаждающими способностями.

[22] В общем случае под закалкой понимают сохранение высокотемпературного состояния с помощью быстрого охлаждения сплава.

[23] Такой низкий предел растворимости С в α–Fe обусловлен отсутствием в ОЦК решетке феррита необходимых по размеру межатомных пустот для размещения атомов углерода.

[24] В легированных сталях это – вторичные карбиды легирующих элементов.

[25] В ряде случаев для устранения остаточного аустенита используют специальный высокотемпературный отпуск (например, в быстрорежущих сталях).

[26] Желательно также выполнение лабораторных работ 7 и 8.

[27] Возможна также определенная ориентация деформированных зерен - текстура. Все это приводит к анизотропии свойств поликристаллического материала.

[28] Температура плавления (t _пл) и соответственно t _р в формуле (3.1) выражается в абсолютной шкале, т.е. в К.

[29] Железо, существующее при t >1392 ^оС, часто обозначают как Fe_d (d-Fe), хотя это та же модификация a (т.е. Fe_a).

[30] Высокотемпературный (t>1392 °С) феррит на рис. 4.1 обозначен как Ф_d (см. примечание¹ на стр. 134).

[31] Здесь и ниже твердость по Бринеллю (НВ) дается в МПа.

[32] Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C перлит содержит 0,8 % С. Это позволяет определять содержание углерода в стали при микроскопическом изучении ее структуры по методике, подобной той, которая использовалась в работе 2 для определения химического состава сплавов, содержащих эвтектику. Например, процентное содержание углерода в доэвтектоидных сталях равно 0,01´(0,8´S), где S - относительная площадь (в %), занимаемая перлитом в структуре (на микрошлифе) изучаемой стали.

[33] Все достаточно ответственные стальные изделия подвергаются закалке и отпуску - термической обработке, формирующей оптимальный комплекс механических свойств (работа 6). Однако и после термической обработки сохраняется принципиальный характер зависимости свойств от содержания углерода - увеличение содержания углерода приводит к возрастанию прочности (твердости) и хрупкости стали.

[34] В этой группе сталей есть также стали с высоким содержанием углерода (0,6...0,85 % С) - 60, 65, 70, 75, 80, 85. Эти стали применяют в основном в качестве рессорно-пружинных, а также для изготовления ответственных деталей с повышенной прочностью и износостойкостью (шпиндели станков, прокатные валки и др.).

[35]Представление о механических свойствах белых чугунов можно получить, экстраполируя зависимости, приведенные на рис. 4.2, на большие содержания углерода.

[36] По оси абсцисс откладывается толщина стенок отливки L. Очевидно, что возрастание L соответствует уменьшению скорости охлаждения V_охл.

[37] Обычно серые чугуны содержат 3,5...3,6 %С и 1,5...3,0 %Si.

[38] В сталях, охлажденных при закалке до комнатной температуры, в структуре остается некоторое количество непревращенного (остаточного) аустенита. Количество остаточного аустенита возрастает с увеличением содержания углерода (и легирующих элементов) в стали.

[39] Повышение температуры нагрева стали под закалку приводит к резкому возрастанию зерна аустенита. При закалке (мартенситном превращении) кристаллы мартенсита наследуют размер зерна аустенита, образовавшегося при нагреве.

[40] Специальным легированием получают также стали ферритного и ледебуритного классов.

[41] Данный принцип классификации сталей по назначению (подробнее см стр. 134) отражает лишь основную тенденцию. Реально к конструкционным относятся также рессорно-пружинные (0,5...0,7 %С) и шарикоподшипниковые (~1 %С) стали, а, например, инструментальные штамповые стали для ударного деформирования металла содержат 0,3...0,6 % С.

[42] Важным следствием уменьшения величины V_кр при легировании является то, что закалку на мартенсит можно производить не в воде, а в масле и даже на воздухе, т.е. с меньшими скоростями. Такое охлаждение существенно снижает внутренние напряжения в закаленных изделиях и соответственно - опасность возникновения трещин и коробления.

[43] Практическую часть работы по определению прокаливаемости стали одна группа студентов выполняет на образце углеродистой стали (например, 40), вторая - на образце легированной стали с тем же содержанием углерода (например, 40Х).

[44] Кроме того, применяются сверхтвердые минералокерамические материалы, например, нитрид бора с теплостойкостью до 1200 °С.

[45] В связи с дефицитностью W разработаны также быстрорежущие стали с малым его содержанием (Р3М3Ф3) и даже безвольфрамовые (Р0М5Ф1, Р0М3Ф2).

[46]В литом состоянии a‑латуни имеют дендритную структуру - светлые дендриты, обогащенные медью, на темном фоне междендритных областей. После деформации и отжига a‑латуни имеют зернистую структуру химически однородного a‑раствора. Структура двухфазных (a+b)-латуней состоит из светлых зерен a‑раствора и темных зерен b‑фазы.

[47] Буквы после обозначения “Бр” указывают легирующие элементы, а цифры - их процентное содержание.

[48] При закалке наиболее легированных шарикоподшипниковых сталей возможно сохранение в структуре до 10...15 % остаточного аустенита (см. работу 7). Для его уничтожения применяют обработку холодом - охлаждение закаленной стали ниже температуры окончания мартенситного превращения (М_к): -70...-80 °С.

[49] Для отверждения некоторых видов смол присутствие отвердителя не обязательно, достаточно лишь нагревания.

Модуль 1

1. Истинная плотность

Истинная плотность ρ (прежнее название – удельный вес) – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор и пустот. Определяют по формуле ρ = m / V, где m – масса материала, кг; V – абсолютный объем, занимаемый материалом (без пор и пустот), м3. Истинная плотность жидкостей и материалов, полученных из расплавленных масс (металла, стекла, а также гранита, мрамора и других подобных горных пород), практически соответствует их плотности в естественном состоянии, а пористых материалов – приводится к абсолютно плотному состоянию искусственным путем.

Истинная плотность – свойство, которое контролируются только при геологической разведке.

Для горных пород, служащих сырьем при производстве облицовочных материалов, не имеет решающего значения при их оценке. Однако этот показатель позволяет косвенно выявить другие свойства камня, например вычислить его пористость.

Для определения истинной плотности камня его необходимо получить в абсолютно плотном состоянии, т. е. без пор. Простейший способ заключается в измельчении камня до такой степени, пока каждая его частица не будет иметь внутри себя пор. С этой целью вначале отбирают куски горной породы общей массой не менее 1 кг, тщательно очищают их щеткой от пыли и затем измельчают до крупности менее 5 мм, после чего перемешивают и сокращают пробу примерно до 150 г. Полученную пробу вновь измельчают до крупности менее 1,25 мм, перемешивают и сокращают до 30 г. Оставшуюся пробу вновь измельчают в порошок в фарфоровой ступке, насыпают в стаканчик для взвешивания, высушивают до постоянной массы и охлаждают до комнатной температуры, после чего отвешивают две навески по 10 г каждая. Каждую навеску насыпают в пикнометр (пикнос – плотный, метрео – измеряю, дословно с греческого «измеритель плотности») и заливают дистиллированной водой, заполняя пикнометр не более чем на половину объема. Затем его ставят на песчаную ванну или в водяную баню и кипятят содержимое в течение 15—20 мин для удаления пузырьков воздуха. После этого пикнометр обтирают насухо, охлаждают до комнатной температуры, доливают до метки дистиллированной водой и взвешивают на лабораторных весах.

Далее прибор освобождают от содержимого, промывают, наполняют до метки дистиллированной водой и вновь взвешивают.

Истинную плотность р, кг/м3, вычисляют по формуле

ρ = mρВ / (m + m1 – m2) · 1000,

где m – навеска порошка, высушенного до постоянной массы, г; m1 – масса пикнометра с дистиллированной водой, г; m2— то же, с навеской и дистиллированной водой после удаления пузырьков воздуха, г; р„ – истинная плотность воды: рв = 1 г/см3.

Средняя плотность γ (прежнее название – объемная масса) – масса единицы объема материала в естественном состоянии, т. е. вместе с порами и пустотами. Определяется по формуле γ = m / V1, где m – масса материала, кг; V1 – объем материала в естественном состоянии, м3. Средняя плотность металла и стекла практически равна их истинной плотности, у большинства строительных материалов она, как правило, меньше (из-за наличия пор).

Для каждого материала стандарты устанавливают значение влажности, при котором вычисляют среднюю плотность, необходимую для расчета пористости, теплопроводности и теплоемкости материалов, определения стоимости их перевозок и расчета прочности конструкций с учетом их собственной массы.

Средняя плотность – физическое свойство облицовочного камня, используемое обычно при его общей характеристике. Этим показателем пользуются при вычислении массы изделий из камня по их объему или при определении объема, когда известна масса изделий. Кроме того, используя среднюю плотность, определяют пористость камня и некоторые другие показатели. Особенно важное значение имеет это свойство для горных пород, используемых при производстве стеновых материалов, где значение этого показателя не должно превышать 2100 кг/м3.

Для определения средней плотности берут пять образцов кубической формы с размером ребра 40—50 мм или цилиндры диаметром и высотой 40—50 мм. Каждый образец очищают щеткой от рыхлых частиц и высушивают до постоянной массы, после чего взвешивают на настольных (гирных) или циферблатных весах. Затем измеряют размеры кубов или цилиндров камня и вычисляют объемы образцов.

Среднюю плотность каждого образца вычисляют по формуле, приведенной в § 2. Средняя плотность горной породы будет средним арифметическим результатом определения этой характеристики для пяти образцов. Значения средней плотности у наиболее распространенных видов облицовочного камня СНГ даны в приложении.

Среднюю плотность сыпучих (рыхлых) материалов (цемента, извести, песка, гравия, щебня) называют насыпной средней плотностью (прежнее название – насыпная объемная масса). В объем сыпучих материалов включают не только объем пор в самом материале, но и пустот между зернами или кусками материала.

Пористость - характеристика материала, совокупная мера размеров и количества пор в твёрдом теле.

Является безразмерной величиной от 0 до 1 (или от 0 до 100 %). 0 соответствует материалу без пор; 100 %-я пористость недостижима, но возможны приближения к ней (пена, аэрогель и т. п.). Дополнительно может указываться характер пористости в зависимости от величины пор: мелкопористость, крупнопористость и т. п. Характер пористости является словесной характеристикой материала и его определение зависит от отрасли.

Поры, как правило, заполнены вакуумом или газом с плотностью, значительно меньшей, чем истинная плотность материала образца. В этом случае величина пористости не зависит от истинной плотности материала, а зависит только от геометрии пор.

П. стройматериалов колеблется в широких пределах: от 0,2...0,8 %—У гранита и мрамора до 75...85 % у теплоизоляционного кирпича и у ячеистого бетона и свыше 90 % —У пенопластов и минеральной ваты.

От величины пористости и ее характера (размера и формы пор, равномерности распределения пор по объему материала, их структуры--сообщающиеся поры или замкнутые) зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, долговечность, теплопроводность, водопоглощение, водонепроницаемость и др. Например, открытые поры увеличивают проницаемость и водопоглощение материала и ухудшают его морозостойкость. Однако в звукопоглощающих материалах открытые поры желательны, так как они поглощают звуковую энергию. Увеличение закрытой пористости за счет открытой повышает долговечность материала и уменьшает его теплопроводность.

Сведения о пористости материала позволяют определять целесообразные области его применения.

Пустотность - это доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала.

Пустоты - заполненное воздухом пространство между частицами зернистого материала, находящегося в рыхлом или насыпном состоянии.

Одна из наиболее важных характеристик заполнителя. Пустотностью заполнителя называют выраженное в процентах отношение объема межзерновых пустот ко всему объему, который занимает заполнитель (в свободной засыпке или в уплотненном состоянии). Пустотность зависит от формы зерен заполнителя и зернового (фракционного) состава. Для определения пустотностиводонасыщенный заполнитель засыпают в мерный сосуд, взвешивают и заливают водой доверху и снова взвешивают. Пустотность находят как отношение объема воды к общему объему мерного сосуда. На практике, чем меньше пустотность заполнителя, тем меньше расход раствора на заполнение промежутков между зернами заполнителя. В крупнопористом бетоне (например крупнопористом керамзитобетоне) желательна повышенная пустотность заполнителя. Понятие пустотность применимо кроме заполнителей и для песка.

Связь этих свойств с составом, строением материала и условиями его применения.

Плотность и пористость в значительной степени определяют такие свойства

материалов, как водопоглощение, водопроницаемость, морозостойкость,

прочность, теплопроводность и др.

На величину средней плотности влияет влажность материала: чем выше

влажность, тем больше средняя плотность. Среднюю плотность материалов

необходимо знать для расчета их пористости, теплопроводности, теплоемкости,

прочности конструкций (с учетом собственной массы) и подсчета стоимости

перевозок материалов.

2. Водопоглощение —способность материала впитывать воду и удерживать ее.

Величина водопоглощения определяется разностью массы образца в насыщенном

водой и абсолютно сухом состояниях. Различают объемное водопоглощениеWv,

когда указанная разность отнесена к объему образца, и массовое

водопоглощениеWm, когда эта разность отнесена к массе сухого образца.

Водопоглощение по объему и по массе выражают в процентах и вычисляют по

формулам:

где т1,—масса образца, насыщенного водой, г; т—масса сухого образца, г;

V—объем образца в естественном состоянии, см3.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основные свойства:

увеличивает среднюю плотность и теплопроводность, понижает прочность.

Степень снижения прочности материала при предельном его водонасыщении, т.

е. состоянии полного насыщения материала водой, называется водостойкостью и

характеризуется значением коэффициента размягчения.

Гигроскопичностью называют свойство пористых материалов поглощать

определенное количество воды при повышении влажности окружающего воздуха.

Древесина и некоторые теплоизоляционные материалы вследствие

гигроскопичности могут поглощать большое количество воды, при этом

увеличивается их масса, снижается прочность, изменяются размеры. В таких

случаях для деревянных и ряда других конструкций приходится применять

защитные покрытия.

Водопроницаемость —свойство материала пропускать воду под давлением.

Величина водопроницаемости характеризуется количеством воды, прошедшей в

течение 1 ч через 1 см2 площади испытуемого материала при постоянном

давлении. К водонепроницаемым материалам относятся особо плотные материалы

(сталь, стекло, битум) и плотные материалы с замкнутыми порами (например,

бетон специально подобранного состава).

Паро- и газопроницаемость — свойство материала пропускать через свою

толщу под давлением водяной пар или газы (воздух). Все пористые материалы

при наличии незамкнутых пор способны пропускать пар или газ.

Паро- и газопроницаемость материала характеризуется соответственно

коэффициентом паро- или газопроницаемости, который определяется количеством

пара или газа в л, проходящего через слой материала толщиной 1 м и площадью

1 м2 в течение 1 ч при разности парциальных давлений на противоположных

стенках 133,3 Па.

Влажностные деформации: пористые неорганические и органические материалы (бетоны, древесина и др.) при изменении влажности изменяют свой объём и размеры. Усадкой (усушкой) называют уменьшение размеров материала при высыхании. Набухание (разбухание) происходит при насыщении материи водой.

Воздухостойкость (влагостойкость) – способность материала длительно выдерживать многократное увлажнение и высушивание без деформаций и потери механической прочности.

Водостойкость - способность материала противостоять разрушению при водонасыщении. Характеризуется коэффициентом водостойкости (степень снижения прочности материала при водонасыщении).

-способность материалов сохранять свою прочность

при нахождении в воде. Оценивается по коэффициенту размягчения α разм.

α разм = (Rсжвл/ Rсж сух) ≥ 0,85, т.е. допускается потеря прочности при

нахождении в воде не более 15%.