🗊Презентация Схема связей между характеристиками материала

Схема связей между характеристиками материала

Выбор материала При выборе материала требуется всестороннее рассмотрение условий его работы и ранжирование факторов, воздействующих на материал по степени их влияния на эксплуатационную надежность. Следующий этап выбора материала - процесс определения комплекса необходимых свойств, обеспечивающих долговечную работу конструкции в заданных условиях эксплуатации

Классификация свойств материала Свойство – признак, определяющий количественные и качественные особенности Физические характеризуют поведение материала в магнитных, электрических, тепловых полях, а также под воздействием потоков частиц высокой энергии или радиации. (электропроводность, теплопроводность, коэффициент термического расширения); Химические характеризуют поведение под воздействием агрессивных сред. (коррозионная стойкость, окалиностойкость, каталитические свойства); Механические Характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению или оценивают возможность разрушения. (прочность); Технологические Определяют пригодность материала для изготовления деталей требуемого качества с минимальными трудозатратами. (обрабатываемость, свариваемость); Эксплуатационные Характеризуют способность материала выполнять функциональное назначение, обеспечивать работоспособность и силовые, скоростные и другие технико-эксплуатационные параметры(износостойкость). Биологические (алергенная активность, токсичность и т.д). В инженерной практике, наиболее часто количественным критерием расчета выступают механические свойства.

Тепловое расширение - увеличение размеров объекта (материала) при нагревании. Параметры: Температурный коэффициент объемного расширения  , К −1 (°C−1) — относительное изменение объёма тела, происходящее в результате изменения температуры на 1 К при постоянном давлении.  Температурный коэффициент линейного расширения   относительное изменение линейных размеров тела, происходящее в результате изменения его температуры на 1 К при постоянном давлении (10−6/°C). Теплоемкость - отношение количества теплоты, полученной телом, к повышению его температуры С = dQ/dT, (Дж/К) Параметры: удельная теплоемкость - отношение теплоемкости к массе тела, Дж/(кг*К) (CV, СP); молярная теплоемкость - отношение теплоемкости к количеству веще­ства, Дж/(моль*К) (Сm) Теплопроводность - перенос энергии (тепла) от более нагретых участков тела к менее нагретым Параметр: коэффициент теплопроводности (λ) - количество теплоты, проходящее в теле через сечение 1 м2 на длине 1 м при разности температур в 1°С в течение 1 с, размерность Вт/(м2*К) коэффициент температуропроводности - мера теплоизоляционных свойств материала (α = λ/(d*Ср)) где d - плотность; Ср - удельная теплоемкость материала при постоянном давлении.

Магнитные свойства - характеризуют поведение материала в магнитном поле, например: способность намагничиваться и притягиваться магнитом Основная характеристика - магнитная восприимчивость Кm =J/H , где J - намагни­ченность (суммарный магнитный момент атомов в единице объема; H - напряженность намагничивающего поля. По знаку и величине Кm материалы делятся на: а) диамагнитные - в отсутствии внешнего поля немагнитны, во внешнем поле слабо на­магничиваются против поля (Кm = -10-6... 105); б) парамагнитные – Кm = 10-6... 10-3; слабо намагничиваются по направлению поля, в отсутствие поля - немагнитны (алюминий, платина, щелочные металлы и др); в) ферромагнитные - Km» 1; большая магнитная восприимчивость, нелинейно зави­сящая от напряженности поля и температуры (железо; никель, кобальт и их сплавы).

Параметры магнитных свойств: Магнитная проницаемость μ=1+Km характеризует интенсивность роста магнитной индукции (намагниченности В (Тл - тесла) при увеличении напряженности намагничивающего поля Н (А/м) Bs - индукция насыщения Вг- остаточная индукция Нс - коэрцитивная сила

Площадь петли гистерезиса характеризует потерю энергии на перемагничивание. Материалы с малой Нс и большой - Вг называют магнитомягкими и используют в частности, для сердечников трансформаторов. Материалы с малой Вг и большой Нс считают магнитотвердыми и используют для постоянных магнитов.  

Классификация механических свойств

Конструкционная прочность - требуемое значение механических свойств для конкретного изделия - зависит не только от силовых факторов, но и от воздействия на него рабочей среды и реальной температуры эксплуатации. Это комплексный показатель, включающий группу механических свойств, определяющих работоспособность изделия.

Методы повышения конструкционной прочности Высокая прочность и долговечность конструкций при минимальной массе и наибольшей надежности достигается металлургическими, конструкторскими и технологическими методами.  

металлургические

конструкторские

Факторы, значительно влияющие на конструкционную прочность *Масштабный (чем больше габариты детали, тем меньше прочность). С увеличением объема возрастает вероятность появления различного рода дефектов металлического и технологического характера. *Температурный. Отдельные атомы при повышенных температурах могут приобретать кинетическую энергию, многократно превосходящую среднюю, что приводит к возрастанию растягивающих усилий и снижению прочности.

*Структурно-фазовый фактор – при изменении структурно-фазового состава материала в нем изменяется степень одновременного участия связей всех атомов сопротивлении действию внешних сил. *Скоростной фактор – при увеличении скорости деформации возрастает сопротивление пластической деформации. Это связано с увеличением плотности дислокаций и скорости их скольжения, что приводит к увеличению сил терния в кристаллической решетке, и, как следствие, к увеличению прочности материала. НДС

При статической нагрузке в качестве критериев прочности в практике используют стандартные характеристики (σв- временное сопротивление разрыву, σт - предел текучести, σ0,2- предел текучести условный). При работе большинства машиностроительных материалов пластическая деформация недопустима, следовательно, в качестве основной расчетной характеристики используют условный предел текучести (σ0,2).  

Чем выше прочность, тем меньше пластичность -------------------- хрупкость------------------------ Допустимое рабочее напряжение определяется по формуле: σраб = σ0,2/n, где n - коэффициент запаса (1,2...) Для малопластичных материалов (δ<5%) принимают σ0,2 = σВ

При нагреве материала энергия связи ослабевает и напряжения значительно снижаются, в результате чего снижаются показатели прочности При рабочих температурах (0,3 Тпл) используют показатели жаропрочности Жаропрочность - свойство материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах в течение определенного времени. При нагреве разрушающие напряжения зависят не только от температуры, но и от времени действия нагрузки; чем выше температура и продолжительность действия нагрузки, тем ниже напряжения, необходимые для разрушения. С учетом фактора времени прочность при высоких температурах называют длительной прочностью.

Предел длительной прочности – напряжение, которое при постоянной температуре t доводит металл до полного разрушения за заданный промежуток времени База испытания назначается исходя из срока службы детали, и колеблется от нескольких часов до нескольких лет. Металлы, применяемые в авиационных двигателях и конструкциях, подвергаются обычно кратковременным испытаниям на базе порядка 100—200 ч. Предел длительной прочности на базе 100 ч обозначается через σ100. 

При повышенных температурах заметно ослабляются силы межатомного взаимодействия, что служит причиной снижения характеристик прочности, облегчения пластической деформации и возможном проявлении ползучести. Предел ползучести – наибольшее напряжение, под действием которого при температуре t за время Ϯ остаточная деформация не превышает допустимое значение . Испытания на ползучесть проводят, как правило, при t=(0,4-0,7) tпл.

Ползучесть – процесс медленного и непрерывного нарастания остаточной деформации при постоянной температуре и постоянном напряжении, меньшем предела текучести. Традиционно для определения ползучести строят кривые ползучести

Хладноломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Порог хладноломкости — температурный интервал изменения характера разрушения Влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению оценивают по порогу хладноломкости (t50). Это температура, при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей.

Чем ниже порог хладноломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации Действие охрупчивающих факторов: Концентраторы напряжений (дефекты); Характер нагрузки; Температура. Хладноломкими являются железо, вольфрам, цинк и некоторые другие металлы

Работа при низких температурах Порог хладноломкости — температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации. Хладноломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладноломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы

О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному вязкости при температуре перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре. Чем больше температурный запас вязкости, тем меньше вероятность хрупкого разрушения.

Вязкий материал способен рассеивать подводимую к нему энергию, расходуя ее на пластическую деформацию внутри материала. Такая способность растет с увеличением зоны пластической деформации и вершины концентратора напряжений. Чем больше величина такой зоны, тем больше расходуется энергии на разрушение, тем выше вязкость материала. Хрупкий материал накапливает упругую энергию, которая затем превращается в кинетическую энергию распространения трещин.

Для обеспечения надежности конструкции важно, чтобы каждому уровню прочности материала соответствовал необходимый запас трещиностойкости.

Для модели трещины 1, как наиболее типичной, минимальное значение обозначается и называется критическим коэффициентом напряжений в условиях плоской деформации в вершине трещины. Величина – количественная характеристика трещиностойкости материала. На практике ее используют для определения связи между разрушающими напряжениями и размерами дефектов в элементах конструкции.

К наиболее важным критериям трещиностойкости относят *критерий КСТ – удельная работа распространения трещины. Чем выше его значение, тем меньше опасность его хрупкого разрушения и выше эксплуатационная надежность. Для сталей КСТ > 0,2 МДж/м2 ; *критерий Дж. Ирвина К1С – характеризует интенсивность растягивающих напряжений у вершины трещины в момент разрушения.  

Долговечность деталей, работающих в атмосферах сухих газов или жидких электролитов, зависит от скорости химической или электрохимической коррозии. Работоспособность в таких средах сохраняют жаростойкие и коррозионностойкие материалы. Среда, в которой работает материал (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная), оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на комплекс свойств, снижая работоспособность в целом.

Для того чтобы противостоять рабочей среде материал должен обладать не только определенным комплексом механических свойств, но и физико-химическими свойствами: стойкость к электрохимической коррозии; радиационная стойкость; влагостойкость; способность работать в условиях вакуума и т.д.

Для большинства деталей машин на 80% долговечность определяется сопротивлением материалов, усталостным разрушениям (циклической долговечностью, характеризующей работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под действием циклической нагрузки, приводящий к уменьшению срока службы При длительных знакопеременных нагрузках используют критерий циклической прочности. Характеристики циклов: – минимальное напряжение цикла; – максимальное напряжение цикла; – среднее напряжение цикла.

При испытаниях на усталость чем выше максимальное напряжение , тем меньше число повторных нагружений N до разрушения образца, т.е. тем меньше его выносливость. При снижении напряжения кривая усталости в большинстве случаев переходит в горизонтальное положение. Следовательно, существует некоторое напряжение – предел выносливости, ниже которого образец может выдерживать неограниченное число циклов нагружения.

износостойкость характеристика сопротивления материала разрушению поверхности путем отделения его частиц под воздействием силы трения;

Стоимость материала может быть определена, как свойство, оценивающее экономичность материала количественной характеристикой (оптовая цена), где оптовая цена - стоимость единицы массы материала, по которой производитель рекомендует его потребителю.     Обобщенный критерий эффективности может быть оценен: σт - предел текучести; П= (σт *k) / (γ*Ц), k - коэффициент, характеризующий технологичность; γ - плотность материала; Ц - цена.

технологичность   — это совокупность свойств, проявляемых в возможности оптимальных (наивыгоднейших технико-экономических) затрат труда и времени при изготовлении, эксплуатации и ремонте. Способность -- к литью -- к обработке резанием -- к обработке давлением -- к сварке

Технологические свойства материалов Технологические свойства характеризуют податливость материалов технологическим воздействиям при переработке в изделия, то есть технологичность материалов при различных видах обработки.

Прочность представляет собой комплексный показатель внутренней напряженности и может иметь различную интерпретацию: Теоретическая прочность - распределение напряжений между атомами. Реальная прочность - прочность материала, с учетом наличия внутренних дефектов, определяется из механических испытаний с построением диаграмм.

Реальная прочность с учетом дефектов Дефекты кристаллического строения:

Линейные дефекты одномерные

Линейные дефекты кристаллического строения

Поверхностные дефекты – двумерные - дефекты у которых в двух измерениях величина много больше чем период решетки а в одном направлении сравнимо с ним Границы между зернами (большеугловые) – это переходная область шириной 5–10 межатомных расстояний

Объемные дефекты – трехмерные -, которые имеют величину гораздо больше периода решетки во всех направлениях. К этому типу можно отнести любые модификации трех предыдущих которые находятся близ друг друга тем самым образовывая один большой дефект поры, трещины

Влияние дефектов кристаллической решетки на свойство материалов

Для упрочнения материала нужно затруднить перемещение дислокаций в нём. Для обеспечения пластичности материала нужно облегчить перемещение дислокаций.