Реферат Свойства материалов
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ, УПРАВЛЕНИЯ И ПРАВА
Экономический факультет
Кафедра экономических теорий
Шохова (Горбушина) Алёна Геннадьевна
контрольная работа по материаловедению
тема №1 «основные свойства материалов»
СТУДЕНТКА 4 КУРСА (СРОК ОБУЧЕНИЯ – 5,5 ЛЕТ)
Научный руководитель
преподаватель
Воропаев Е.Г.
Москва 2011
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
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:
Ø прочность;
Ø твердость;
Ø 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:
Ø вдавливание индентора;
Ø динамические методы;
Ø 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:
Ø Бринелля;
Ø Роквелла;
Ø Виккерса.
Динамические методы измерения твердости не приводят к возникновению дефектов поверхности изделий. Распространен способ определения твердости в условных единицах по высоте отскакивания легкого ударника (бойка), падающего на поверхность испытуемого материала с определенной высоты. Применяется и метод измерения твердости с помощью ультразвуковых колебаний, основанный на регистрации изменения частоты колебаний измерительной системы в зависимости от твердости исследуемого материала.
Путем царапанья сравнивают твердость исследуемого и эталонного материалов. В качестве эталонов приняты 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их твердости: 1 - тальк, 2 - гипс, 3 - кальцит, 4 - флюорит, 5 - апатит, 6 - ортоклаз, 7 - кварц, 8 - топаз, 9 - корунд, 10 - алмаз.
Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения.
Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.
Основные триботехнические характеристики материалов:
Ø износостойкость;
Ø прирабатываемость;
Ø коэффициент трения.
Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения. Отношение величины износа к интервалу времени, в течение которого он возник, или к пути, на котором происходило изнашивание, представляет собой соответственно скорость изнашивания и интенсивность изнашивания. Износостойкость материалов оценивают величиной, обратной скорости и интенсивности изнашивания.
Прирабатываемость - свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки. Обеспечение износостойкости напрямую связано с предупреждением катастрофического изнашивания и прирабатываемостью.
Коэффициент трения - отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу. Его значения зависят от скорости скольжения, давления и твердости материалов трущихся поверхностей.
Триботехнические характеристики материалов зависят от следующих основных групп факторов, влияющих на работу узлов трения:
Ø внутренних, определяемых природой материалов;
Ø внешних, характеризующих вид трения (скольжение, качение);
Ø режима трения (скорость, нагрузка, температура);
Ø среды и вида смазочного материала.
Совокупность этих факторов обусловливает вид изнашивания: абразивное, адгезионное, эрозионное, усталостное и др.
Основная причина всех видов изнашивания - работа сил трения, под действием которых происходит многократное деформирование поверхностных слоев трущихся тел, изменение их структуры, и т.д.
Коррозия - физико-химический процесс изменения свойств, повреждения и разрушения материалов вследствие перехода их компонентов в соединения с компонентами окружающей среды.
Под коррозионным повреждением понимают любой дефект структуры материала, возникший в результате коррозии. Если механические воздействия ускоряют коррозию материалов, а коррозия облегчает их механические разрушения, имеет место коррозионно-механическое повреждение материалов.
Электрохимическая коррозия - процесс взаимодействия материалов и окружающей среды посредством электродных реакций. Металлы наиболее подвержены этому виду коррозии вследствие высокой электрической проводимости и химической активности.
Коррозионное повреждение различных участков материала может быть неодинаковым. По характеру разрушения материалов различают равномерную и местную коррозию. Последняя возникает из-за химической или физической неоднородности среды, и материала на отдельных участках поверхности изделия.
С конструктивными особенностями изделий связаны щелевая и контактная коррозии. Первая протекает внутри или в непосредственной близости от узкого отверстия или зазора в конструкциях. Вторая вызвана контактированием металлов, различающихся по электродному потенциалу.
Для оценки сопротивления материалов коррозии используют следующие параметры:
Ø фронт коррозии - воображаемая поверхность, отделяющая поврежденный материал от неповрежденного;
Ø скорость коррозии - это скорость продвижения ее фронта;
Ø техническая скорость коррозии - ее наибольшая. скорость, вероятностью превышения которой нельзя пренебречь в конкретных условиях.
Сопротивление материалов коррозии характеризуют с помощью параметра коррозионной стойкости - величины, обратной технической скорости коррозии материала в данной коррозионной системе. Условность этой характеристики заключается в том, что она относится не к материалу, а в целом к коррозионной системе. Коррозионную стойкость материала нельзя изменить, не изменив других параметров коррозионной системы. Противокоррозионная защита - это изменение коррозионной системы, ведущее к снижению скорости коррозии материала.
1 Основные механические характеристики материалов
Механические свойства материалов - совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения. В соответствии с этим механические свойства материалов измеряют напряжениями (обычно в кгс/мм2 или Мн/м2), деформациями (в %), удельной работой деформации и разрушения (обычно в кгс×м/см2 или Мдж/м2), скоростью развития процесса разрушения при статической или повторной нагрузке (чаще всего в мм за 1 сек или за 1000 циклов повторений нагрузки, мм/кцикл). Механические свойства материалов определяются при механических испытаниях образцов различной формы.
В общем случае материалы в конструкциях могут подвергаться самым различным по характеру нагрузкам: работать на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез и т. д. или подвергаться совместному действию нескольких видов нагрузки, например растяжению и изгибу. Также разнообразны условия эксплуатации материалов и по температуре, окружающей среде, скорости приложения нагрузки и закону её изменения во времени. В соответствии с этим имеется много показателей механических свойств и много методов механических испытаний. Для металлов и конструкционных пластмасс наиболее распространены испытания на растяжение, твёрдость, ударный изгиб; хрупкие конструкционные материалы (например, керамику, металлокерамику) часто испытывают на сжатие и статический изгиб; механические свойства композиционных материалов важно оценивать, кроме того, при испытаниях на сдвиг. Для увеличения выносливости при изгибе применяют цементацию. Твердость увеличивает повышенное содержание углерода, но оно обеспечивает и высокую хрупкость материала из-за потери пластичности.
Для того, чтобы оценить свойства не образца, а материала, перестраивается диаграмма растяжения P = f (Dl) в координатах s и e. Для этого уменьшим в F раз ординаты и в l раз абсциссы, где F и l — соответственно площадь поперечного сечения и рабочая длина образца до нагружения. Так как эти величины постоянны, то диаграмма s = f (e) имеет тот же вид, что и диаграмма растяжения, но будет характеризовать уже не свойства образца, а свойства материала.
Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука, называется пределов пропорциональности (sn).
Величина предела пропорциональности зависит от той степени точности, с которой начальный участок диаграммы можно рассматривать как прямую. Степень отклонения кривой s = f (e) от прямой s = Еe определяют по величине угла, который составляет касательная к диаграмме с осью s. В пределах закона Гука тангенс этого угла определяется величиной 1/E. Обычно считают, что если величина de/ds оказалась на 50% больше чем 1/Е, то предел пропорциональности достигнут.
Упругие свойства материала сохраняются до напряжения, называемого пределом упругости (sу) - наибольшего напряжения, до которого материал не получает остаточных деформаций.
Следующей характеристикой является предел текучести - напряжение, при котором происходит рост деформации без заметного увеличения нагрузки. В тех случаях, когда на диаграмме отсутствует явно выраженная площадка текучести, за предел текучести принимается условно величина напряжения, при котором остаточная деформация eост = 0,002 или 0,2% (рис. 2). В некоторых случаях устанавливается предел eост =0,5%.
Условный предел текучести обозначается через s0.2 и s0.5 зависимости от принятой величины допуска на остаточную деформацию. Индекс 0,2 обычно в обозначениях предела текучести опускается. Если необходимо отличить предел текучести на растяжение от предела текучести на сжатие, то в обозначение вводится соответственно дополнительный индекс «р» или «с». Таким образом, для предела текучести получаем обозначения sтр и sст.
Предел текучести легко поддается определению и является одной из основных механических характеристик материала.
Отношение максимальной силы, которую способен выдержать образец, к его начальной площади поперечного сечения носит название предела прочности, или временного сопротивления, и обозначается через sвр (сжатие — sвс).
sвр не есть напряжение, при котором разрушается образец. Если относить растягивающую силу не к начальной площади сечения образца, а к наименьшему сечению в данный момент, можно обнаружить, что среднее напряжение в наиболее узком сечении образца перед разрывом существенно больше, чем sвр. Таким образом, предел прочности также является условной величиной. В силу удобства и простоты ее определения она прочно вошла в расчетную практику как основная сравнительная характеристика прочностных свойств материала.
При испытании на растяжение определяется еще одна характеристика материала — удлинение при разрыве d%.
Перед испытанием на поверхность образца наносится ряд рисок, делящих рабочую часть образца на равные части. После того как образец испытан и разорван, обе его части составляются по месту разрыва (рис. 3). Далее, по имеющимся на поверхности рискам от сечения разрыва вправо и влево откладываются отрезки, имевшие до испытания длину 5d (рис. 3). Таким образом определяется среднее удлинение на стандартной длине l0 = 10d. В некоторых случаях за l0 принимается длина, равная 5d.
Удлинение при разрыве будет следующим:
Возникающие деформации распределены по длине образца неравномерно. Если произвести обмер отрезков, расположенных между соседними рисками, можно построить эпюру остаточных удлинений, показанную на рис. 3. Наибольшее удлинение возникает в месте разрыва. Оно называется обычно истинным удлинением при разрыве.
Диаграмма растяжения, построенная с учетом уменьшения площади F и местного увеличения деформации, называется истинной диаграммой растяжения.
Пластичность и хрупкость. Твердость
Способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь, носит название пластичности. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение d при разрыве. Чем больше d, тем более пластичным считается материал. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т. е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2—5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения (рис. 4).
Иначе ведут себя при испытании на сжатие хрупкие материалы. Диаграмма сжатия этих материалов сохраняет качественные особенности диаграммы растяжения (см. рис. 4). Предел прочности хрупкого материала при сжатии определяется так же, как и при растяжении. Разрушение образца происходит с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям.
Сопоставление предела прочности хрупких материалов при растяжении sвр с пределом прочности при сжатии sвр показывает, что эти материалы обладают, как правило, более высокими прочностными показателями при сжатии, нежели при растяжении. Величина отношения
для чугуна k колеблется в пределах 0,2 ¸ 0,4. Для керамических материалов k = 0,1 ¸ 0,2.
Для пластичных материалов сопоставление прочностных характеристик на растяжение и сжатие ведется по пределу текучести (sтр и sтс ). Принято считать, что sтр » sтс.
Существуют материалы, способные воспринимать при растяжении большие нагрузки, чем при сжатии. Это обычно материалы, имеющие волокнистую структуру, — дерево и некоторые типы пластмасс. Этим свойством обладают и некоторые металлы, например магний. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в показателе d. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие.
Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывает время нагружения и температурное воздействие. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при длительном воздействии нагрузок — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные деформации. Пластичные же материалы, такие, как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.
Одной из основных технологических операций, позволяющих изменять в нужном направлении свойства материала, является термообработка.Известно, например, что закалка резко повышает прочностные характеристики стали и одновременно снижает ее пластические свойства. Для большинства широко применяемых в машиностроении материалов хорошо известны те режимы термообработки, которые обеспечивают получение необходимых механических характеристик материала.
Испытание образцов на растяжение и сжатие дает объективную оценку свойств материала. В производстве, однако, для оперативного контроля над качеством изготовляемых деталей этот метод испытания представляет в ряде случаев значительные неудобства. Например, при помощи испытания на растяжение и сжатие трудно контролировать правильность термообработки готовых изделий. Поэтому на практике большей частью прибегают к сравнительной оценке свойств материала при помощи пробы на твердость.
Под твердостью понимается способность материала противодействовать механическому проникновению в него посторонних тел. Понятно, что такое определение твердости повторяет, по существу, определение свойств прочности. В материале при вдавливании в него острого предмета возникают местные пластические деформации, сопровождающиеся при дальнейшем увеличении сил местным разрушением. Поэтому показатель твердости связан с показателями прочности и пластичности и зависит от конкретных условий ведения, испытания.
Наиболее широкое распространение получили пробы по Бринелю и по Роквеллу. В первом случае в поверхность исследуемой детали вдавливается стальной шарик диаметром
Влияние температуры и фактора времени на механические характеристики материала
Все сказанное выше о свойствах материалов относилось к испытаниям в так называемых нормальных условиях, но диапазон температур, в пределах которого реально работают конструкционные материалы, выходит далеко за рамки указанных нормальных условий. Есть конструкции, где материал находится под действием чрезвычайно высоких температур, как, например, в стенках камер воздушно-реактивных и ракетных двигателей. Имеются конструкции, где, напротив, рабочие температуры оказываются низкими. Это—элементы холодильных установок и резервуары, содержащие жидкие газы.
В широких пределах изменяются также и скорости нагружения, и время действия внешних сил. Существуют нагрузки, весьма медленно меняющиеся и быстро меняющиеся. Есть нагрузки, действующие годами, а есть такие, время действия которых исчисляется миллионными долями секунды. Понятно, что и зависимости от указанных обстоятельств механические свойства материалом будут проявляться по-разному. Обобщающий анализ свойств материала с учетом температуры и времени оказывается очень сложным и не укладывается и простые экспериментально полученные кривые, подобные диаграммам растяжения. Функциональная зависимость между четырьмя параметрами s, e, температурой t° и временем t
f(s,e, t°, t)=0
не является однозначной и содержит в сложном виде дифференциальные и интегральные соотношения входящих в нее величин. Так как в общем виде аналитическое или графическое описание указанной функции дать не удается, то влияние температуры и фактора времени рассматривается в настоящее время применительно к частным классам задач. Деление на классы производится и основном по типу действующих внешних сил. Различают медленно изменяющиеся, быстро и весьма быстро изменяющиеся нагрузки.
Если вести испытания на растяжение при различных температурах образца, оставаясь в пределах «нормальных» скоростей деформации
то можно в определенном интервале получить зависимость механических характеристик от температуры. Эта зависимость обусловлена температурным изменением внутрикристаллических и межкристаллических связей, а в некоторых случаях и структурными изменениями материала.
На рис. 6 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести sтр, предела прочности sвр и удлинения при разрыве e для малоуглеродистой стали в интервале 0—500°С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300°С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина sвр и, особенно, d, причем имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали — удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.
Чем выше температура, тем труднее определить механические характеристики материала.
Изменение во времени деформаций и напряжений, возникающих в нагруженной детали, носит название ползучести.
Частным проявлением ползучести является рост необратимых деформаций при постоянном напряжении. Это явление носит название последействия. Наглядной иллюстрацией последействия может служить наблюдаемое увеличение размеров диска и лопаток газовой турбины, находящихся под воздействием больших центробежных сил и высоких температур. Это увеличение размеров необратимо и проявляется обычно после многих часов работы двигателя.
Другим частным проявлением свойств ползучести является релаксация — самопроизвольное изменение во времени напряжений при неизменной деформации. Релаксацию можно наблюдать, в частности, на примере ослабления затяжки болтовых соединений, работающих в условиях высоких температур.
Пределом длительной прочности называется отношение нагрузки, при которой происходит разрушение растянутого образца через заданный промежуток времени, к первоначальной площади сечения.
Таким образом, предел длительной прочности зависит от заданного промежутка времени до момента разрушения. Последний выбирается равным сроку службы детали и меняется в пределах от десятков часов до сотен тысяч часов. Соответственно столь широкому диапазону изменения времени меняется и предел длительной прочности. С увеличением времени он падает.
Пределом ползучести называется напряжение, при котором пластическая деформация за заданный промежуток времени достигает заданной величины.
Как видим, для определения предела ползучести необходимо задать интервал времени (который определяется сроком службы детали) и интервал допустимых деформаций (который определяется условиями эксплуатации детали). Предел длительной прочности и предел ползучести сильно зависят от температуры. С увеличением температуры они уменьшаются.
Среди различных типов статических нагрузок особое место занимают периодически изменяющиеся, или циклические, нагрузки. Вопросы прочности материалов в условиях таких нагрузок связываются с понятиями выносливости или усталости материала.
После статических рассмотрим класс динамических, нагрузок.
К оценке этих нагрузок существуют два подхода. С одной стороны, нагрузка считается быстро изменяющейся, если она вызывает заметные скорости частиц деформируемого тела, причем настолько большие, что суммарная кинетическая энергия движущихся масс составляет уже значительную долю от общей работы, внешних сил. С другой стороны, скорость изменения нагрузки может быть связана со скоростью протекания пластических деформаций. Нагрузка может рассматриваться как быстро изменяющаяся, если за время нагружения тела пластические деформации не успевают образоваться полностью. Это заметно сказывается на характере наблюдаемых зависимостей между деформациями и напряжениями.
Первый критерий в оценке быстро изменяющихся нагрузок используется в основном при анализе вопросов колебаний упругих тел, второй — при изучении механических свойств материалов в связи с процессами быстрого деформирования. Поскольку при быстром нагружении образование пластических деформаций не успевает полностью завершиться, материал с увеличением скорости деформации становится более хрупким и величина d уменьшается. Так как скольжение частиц образца по наклонным площадкам затруднено, должна несколько увеличиться разрушающая нагрузка. Сказанное иллюстрируется сопоставлением диаграмм растяжения при медленно и быстро изменяющихся си
Наиболее заметно сказывается влияние скорости деформации при высоких температурах. В нагретом металле уже при сравнительно небольшом увеличении скорости нагружения обнаруживается тенденция к увеличению sвр и уменьшению d.
Последним из трех рассматриваемых видов нагрузок являются весьма быстро изменяющиеся во времени нагрузки. Скорость их изменения настолько велика, что работа внешних сил почти полностью переходит в кинетическую энергию движущихся частиц тела, а энергия упругих и пластических деформаций оказывается сравнительно малой.
Весьма быстро изменяющиеся нагрузки возникают при ударе тел, движущихся со скоростями в несколько сотен метров в секунду и выше. С этими нагрузками приходится иметь дело при изучении вопросов бронепробиваемости, при оценке разрушающего действия взрывной волны, при исследовании пробивной способности межпланетной пыли, встречающейся на пути космического корабля.
Так как энергия деформации материала в условиях весьма больших скоростей нагружения оказывается сравнительно малой, то свойства материала как твердого тела имеют в данном случае второстепенное значение. На первый план выступают законы движения легко деформируемой (почти жидкой) среды, и особую роль приобретают вопросы физического состояния и физических свойств материала в новых условиях.
2 Температурные характеристики материалов
Параметры, отражающие изменение свойств материалов в зависимости от их температуры, являются одними из важнейших характеристик материалов. Стойкость материалов к повышенным температурам и нагрузкам в значительной степени определяет прогресс в автомобилестроении. Свойство материалов стабильно сохранять комплекс эксплуатационных характеристик при низких температурах влияет на работоспособность машин и оборудования, эксплуатируемых в условиях Севера. При осуществлении технологических процессов (литье, ковка, сварка и др.) важное значение имеет температурное изменение деформационно-прочностных характеристик материалов.
Жаростойкость - когда механические параметры материалов сохраняются или незначительно изменяются при высоких температурах.
Жароупорность - свойство материалов противостоять коррозионному воздействию газов при высокой температуре.
В качестве характеристики жаростойкости легкоплавких материалов используют температуру размягчения, при которой изделие, нагреваемое с установленной скоростью, под действием постоянного изгибающего момента деформируется на допустимую величину.
Для легкоплавких кристаллических материалов (подобных воскам) характеристикой жаростойкости служит температура плавления.
Температура вспышки - температура, при которой пары жидкости образуют с воздухом смесь, вспыхивающую при контакте с источником зажигания (например, электрический разряд). Если продолжить нагревание после вспышки, происходит воспламенение материала, когда к нему подносится открытое пламя. Температуру, при которой материал воспламеняется и после удаления внешнею источника зажигания продолжает гореть не менее 5 с, считают температурой воспламенения.
Жаропрочность - свойство материалов длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при высоких температурах, которые имеют место в двигателях внутреннего сгорания.
Хладноломкость - возрастание хрупкости материалов при понижении температуры. При низких температурах (н технике - от 0 до - 50°С) снижается пластичность и вязкость материалов, повышается склонность к хрупкому разрушению. При температурах ниже температурь! вязкого разрушения наступает переход к хрупкому и наблюдается резкое снижение ударной вязкости материала. О его пригодности к эксплуатации при низкой температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и Т50.
Температурное расширение материалов регистрируют по изменению размеров и формы при изменении температуры. Количественно тепловое расширение твердых материалов характеризуют температурным коэффициентом линейного расширения.
Теплопроводность - перенос энергии от более нагретых участков материала к менее нагретым. Эта величина обусловливает выравнивание температуры изделия.
Коэффициент температуропроводности является мерой теплоизоляционных свойств материала.
3 Электрические и магнитные свойства материалов
В автомобилестроении применяют специальные материалы: электроизоляционные, магнитные, проводниковые, полупроводниковые и другие. Для их эффективного применения необходима информация о параметрах электрических, магнитных и других специфических свойств.
Электропроводность - свойство материалов проводить электрический ток, обусловленное наличием в них подвижных заряженных частиц - носителей тока.
Природу электропроводности твердых материалов объясняет зонная теория, согласно которой энергетический спектр электронов состоит из чередующихся зон разрешенных и запрещенных энергий. В нормальном состоянии электроны могут иметь только определенные значения энергии, т.е. занимать разрешенные энергетические уровни (валентную зону). Пустые или частично заполненные более высокие энергетические уровни образуют зону проводимости. Электроны, возбуждаясь, т.е. приобретая добавочную энергию, например, при нагревании материалов, могут переходить в зону проводимости. Если валентная зона и зона проводимости перекрываются, то при незначительном возбуждении электроны будут перемещаться от одних атомов к другим. Материалы такого типа - проводники - обладают высокой электропроводностью. Электропроводность диэлектриков очень мала, так как переход заметного числа электронов в зону проводимости - случайное явление, обусловленное, например, дефектами структуры.
Электрическое сопротивление - свойство материалов как проводников противодействовать электрическому току.
Вес вещества, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием магнитных моментов у частиц вещества.
Характерной герметикой намагничивания материалов служит намагниченность, равная суммарному магнитному моменту атомов в единичном объеме материала.
Характеризующая связь намагниченности с магнитным полем в материале, называется магнитной восприимчивостью. В зависимости от знака и значения магнитной восприимчивости материалы делят на:
Ø диамагнетики;
Ø парамагнетики;
Ø ферромагнетики.
Диамагнетизм - свойство материалов намагничивания во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном полю. Диамагнетизм присущ всем веществам.
Диамагнетики обладают отрицательной магнитной восприимчивостью. Во внешнем магнитном поле они намагничиваются против поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны.
Парамагнетики обладают положительной магнитной восприимчивостью. Они слабо намагничиваются по направлению поля, а в отсутствие поля - немагнитны.
Ферромагнетики характеризуются большим значением магнитной восприимчивости и ее зависимостью от напряженности поля и температуры. Обладают самопроизвольной намагничиваемостью даже в отсутствие внешнего намагничивающего поля.
Антиферромагнетики - материалы, намагниченность которых в отсутствие магнитного поля равна нулю.
Магнитная восприимчивость, как правило, существенно зависит от температуры: у парамагнетиков - уменьшается при нагревании, у ферромагнетиков - увеличивается скачком, достигая максимума вблизи точки Кюри. В точке Кюри исчезает самопроизвольная намагниченность ферромагнитных материалов, и они приобретают свойства обычных парамагнетиков.
4 Химические свойства материалов
Характеризуют их способность реагировать на различные вещества, способные изменить химический состав материала. К химическим свойствам относятся растворимость и коррозионная стойкость, в том числе кислото, щелоче и газостойкость.
Растворимость — способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других жидкостях — растворителях. Растворимость может быть и положительным, и отрицательным свойством.
Коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды. Коррозионная среда может быть жидкой (вода, растворы солей, щелочей и кислот, органические растворители) и газообразной (пары, производственные газы).
Кислотостойкость — способность материала сохранять свои свойства под действием кислот.
Щелочестойкость— способность материалов сохранять свои свойства под действием щелочей.
Газостойкость — способность материала не вступать во взаимодействие с газами, находящимися в окружающей среде.
5 Физические свойства материалов
Характеризуют физическое состояние материала, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав материала.
К физическим свойствам материалов относят:
Ø Модуль упругости первого рода;
Ø Коэффициент температурного (линейного) расширения;
Ø Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала);
Ø Удельный вес материала;
Ø Удельная теплоемкость материала;
Ø Удельное электрическое сопротивление.
6 Технологические свойства материалов
Технологические свойства материалов характеризуют восприимчивость материалов технологическим воздействием при переработке в изделия. Знание этих свойств позволяет рационально осуществлять процессы изготовления изделий.
Основными характеристиками материалов являются:
Ø обрабатываемость резанием;
Ø обрабатываемость давлением;
Ø литейные характеристики;
Ø свариваемость;
Ø склонность к короблению при термической обработке и другие.
Обрабатываемость резанием характеризуют следующими показателями:
Ø качеством обработки материалов - шероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров;
Ø стойкостью режущего инструмента;
Ø сопротивлением резанию - скоростью и силой резания;
Ø видом стружкообразования. Обрабатываемость давлением определяют в процессе технологических испытаний (проб) материалов на пластическую деформацию. Методы оценки обрабатываемости давлением зависят от вида материалов и технологии их переработки.
Обрабатываемость давлением порошковых материалов характеризует их текучесть, уплотняемость и формуемость. Методы определения характеристик порошковых материалов установлены государственными стандартами.
Литейные характеристики материалов - совокупность технологических показателей, характеризующие формирование отливки путем заливки расплавленного материала в литейную форму.
Жидкотекучесть - свойство расплавленного материала заполнять литейную форму.
Литейная усадка - уменьшение объема расплава при переходе из жидкого состояния в твердое. Коэффициент усадки индивидуален для каждого вида материала.
Свариваемость - свойство материала образовывать сварное соединение, работоспособность которого соответствует качеству основного материала, подвергнутого сварке. О свариваемости судят по результатам испытания сварных образцов и характеристикам основного материала в зоне сварного шва.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Так как работоспособность оборудования напрямую зависит от материалов из которого оно изготовлено, то нам крайне важно знать свойства материалов, чтобы оценить прочность, долговечность, качество, сферы использования и границы возможностей данного оборудования.
Список использованной литературы
1. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. М; Высшая школа, 1995.
2. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов: Учебник для втузов. - М: Высшая школа, М. 1995.-560 с.
3. Степанова Е.П., Габриель А.С. Сопротивление материалов: Конспект лекций. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. – 64 с.
4. М.Л. Бернштейн, В.А Займовский. Механические свойства металлов. Мзд. второе, М., "Металлургия", 1979.
5. Сорокин. Стали и сплавы Марочник. 2001
6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение, Изд. 2-е, перераб. и доп. М: Машиностроение, 1980.
7. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Материаловедение: Учебник для вузов. – М.: МГТУ им.Баумана, 2005. - 646с.
8. Барташевич А.А., Бахар Л.М. Материаловедение: Учебное пособие.-Изд. 2-е.-Ростов-на-Дону: Феникс, 2005.-348с.
9. Давыдова И.С., Максина Е.Л., Материаловедение : Учебное пособие. – М.:Изд-во РИОР, 2006. - 240с.
