Способы определения и основные свойства материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Твердость материалов, способы её определения

Твердость -- свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твёрдого тела -- индентора.

Твёрдость определяется как отношение величины нагрузки к площади поверхности, площади проекции или объему отпечатка.

Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

- поверхностная твёрдость -- отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка;

- проекционная твёрдость -- отношение нагрузки к площади проекции отпечатка;

- объёмная твёрдость -- отношение нагрузки к объёму отпечатка.

Твёрдость определяется как отношение силы сопротивления к площади поверхности, площади проекции или объему внедренной в материал части индентора. Различают поверхностную, проекционную и объемную твёрдость:

- поверхностная твёрдость -- отношение силы сопротивления к площади поверхности внедренной в материал части индентора;

- проекционная твёрдость -- отношение силы сопротивления к площади проекции внедренной в материал части индентора;

- объёмная твёрдость -- отношение силы сопротивления к объёму внедренной в материал части индентора.

Твёрдость измеряют в трёх диапазонах: макро, микро, нано. Макродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор от 2Н до 30 кН. Микродиапазон регламентирует величину нагрузки на индентор до 2 Н и глубину внедрения индентора больше 0,2мкм. Нанодиапазон регламентирует только глубину внедрения индентора, которая должна быть меньше 0,2 мкм. Часто твердость в нанодиапазоне называют нанотвердостью (nanohardness).

Измеряемая твердость, прежде всего, зависит от нагрузки, прикладываемой к индентору. Такая зависимость получила название размерного эффекта, в англоязычной литературе -- indentation size effect. Характер зависимости твердости от нагрузки определяется формой индентора:

- для сферического индентора -- с увеличением нагрузки твердость увеличивается -- обратный размерный эффект (reverse indentation size effect);

- для индентора в виде пирамиды Виккерса или Берковича -- с увеличением нагрузки твердость уменьшается -- прямой или просто размерный эффект (indentation size effect);

- для сфероконического -- с увеличением нагрузки твердость сначала увеличивается, когда внедряется сферическая часть индентора, а затем начинает уменьшаться (для сфероконической части индентора).

Косвенно твердость также может зависеть от:

1. Межатомных расстояний.

2. Координационного числа -- чем выше число, тем выше твёрдость.

3. Валентности.

4. Природы химической связи

5. От направления (например, минерал дистен -- его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк -- 7)

6. Хрупкости и ковкости

7. Гибкости -- минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется

8. Упругости -- минерал сгибается, но выпрямляется

9. Вязкости -- минерал трудно сломать (например, жадеит)

10. Спайности

11. и ряда других физико-механических свойств материала.

Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода - лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит. Однако практическое применение этих веществ пока маловероятно. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Методы определения твёрдости по способу приложения нагрузки делятся на: 1)статические и 2) динамические (ударные).

Для измерения твёрдости существует несколько шкал:

- Метод Бринелля -- твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга; размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness, B -- Бринелль;

- Метод Роквелла -- твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического шарика или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) ? kd, где d -- глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k -- коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.

- Метод Виккерса -- твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение нагрузки, приложенной к пирамидке, к площади отпечатка; размерность единиц твёрдости по Виккерсу кг-с/ммІ. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

- Методы Шора:

- Твёрдость по Шору (Метод вдавливания) -- твёрдость определяется по глубине проникновения в материал специальной закаленной стальной иглы (индентора) под действием калиброванной пружины. В данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров). Метод Шора, описанный стандартом ASTM D2240, оговаривает 12 шкал измерения. Чаще всего используются варианты A (для мягких материалов) или D (для более твердых). Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается буквой используемой шкалы, записываемой после числа с явным указанием метода.

- Дюрометры и шкалы Аскер -- по принципу измерения соответствует методу вдавливания (по Шору). Фирменная и нац. японская модификация метода. Используется для мягких и эластичных материалов. Отличается от классического метода Шора некоторыми параметрами измерительного прибора, фирменными наименованиями шкал и инденторами.

- Твёрдость по Шору (Метод отскока) -- метод определения твёрдости очень твёрдых (высокомодульных) материалов, преимущественно металлов, по высоте, на которую после удара отскакивает специальный боёк (основная часть склероскопа -- измерительного прибора для данного метода), падающий с определённой высоты. Твердость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка. Основные шкалы C и D. Обозначается HSx, где H -- Hardness, S -- Shore и x -- латинская буква, обозначающая тип использованной при измерении шкалы.

Следует понимать, что хотя оба этих метода являются методами измерения твёрдости, предложены одним и тем же автором, имеют совпадающие названия и совпадающие обозначения шкал это -- не версии одного метода, а два принципиально разных метода с разными значениями шкал, описываемых разными стандартами.

- Метод Кузнецова -- Герберта -- Ребиндера -- твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл;

- Метод Польди (двойного отпечатка шарика) -- твердость оценивается в сравнении с твердостью эталона, испытание производится путем ударного вдавливания стального шарика одновременно в образец и эталон;

- Шкала Мооса -- определяется по тому, какой из десяти стандартных минералов царапает тестируемый материал, и какой материал из десяти стандартных минералов царапается тестируемым материалом.

- Метод Бухгольца -- метод определения твердости при помощи прибора «Бухгольца». Предназначен для испытания на твердость (твердость по Бухгольцу) полимерных лакокрасочных покрытий при вдавливании индентора «Бухгольца». Метод регламентируют стандарты ISO 2815, DIN 53153, ГОСТ 22233.

Методы измерения твёрдости делятся на две основные категории: статические методы определения твёрдости и динамические методы определения твёрдости. Для инструментального определения твёрдости используются приборы, именуемые твердомерами. Методы определения твердости, в зависимости от степени воздействия на объект, могут относиться как к неразрушающим, так и к разрушающим методам. Существующие методы определения твёрдости не отражают целиком какого-нибудь одного определённого фундаментального свойства материалов, поэтому не существует прямой взаимосвязи между разными шкалами и методами, но существуют приближенные таблицы, связывающие шкалы отдельных методов для определённых групп и категорий материалов. Данные таблицы построены только по результатам экспериментальных тестов и не существует теорий, позволяющих расчетным методом перейти от одного способа определения твердости к другому. Конкретный способ определения твёрдости выбирается исходя из свойств материала, задач измерения, условий его проведения, имеющейся аппаратуры и др.

В СНГ стандартизированы не все шкалы твёрдости.

2.Абразивные материалы

твердость материал абразив

Абразивные материалы - это материалы, обладающие высокой твердостью, и используемые для обработки поверхности различных материалов. Абразивные материалы используются в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяются в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов.

Абразивные материалы делятся по твердости (сверхтвёрдые, твёрдые, мягкие), и химическому составу, и по величине шлифовального зерна (крупные или грубые, средние, тонкие, особо тонкие), величина зерна измеряется в микрометрах или мешах.

Зерном абразива называют отдельный кристалл, сростки кристаллов или их осколки при отношении их наибольшего размера к наименьшему не более 3:1.

Пригодность абразивных материалов зависит от физических и кристаллографических свойств; особенно важное значение имеет их способность при истирании разламываться на остроугольные частицы. У алмаза это свойство максимальное. Выбор абразивного материала зависит от физических свойств обрабатываемого и обрабатывающего материала, а также от стадии обработки (грубая обдирка, шлифовка и полировка), причём твёрдость абразивного материала должна быть выше твёрдости обрабатываемого.

Абразивные материалы характеризуются твёрдостью, хрупкостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью.

Твёрдость -- способность материала сопротивляться вдавливанию в него другого материала. Твёрдость абразивных материалов характеризуется по минерологической шкале твёрдости Мооса 10 классами, включающей в качестве эталонов: 1 --тальк, 2 -- гипс, 3 -- кальцит, 4 -- флюорит, 5 -- апатит, 6 -- полевой шпат, 7 -- кварц, 8 -- топаз, 9 -- корунд, 10 -- алмаз.

Абразивная способность характеризуется количеством материала, сошлифованного за единицу времени.

Механическая стойкость -- способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки, не разрушаясь при резке, шлифовке и полировке. Она характеризуется пределом прочности при сжатии, который определяют, раздавливая зерно абразивного материала, фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температуры снижается.

Химическая стойкость -- способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств, будучи во взаимодействии с растворами щелочей, кислот, а также в воде и органических растворителях.

Абразивные материалы, применяемые для механической шлифовки и полировки полупроводниковых материалов, отличаются между собой размером (крупностью) зёрен, имеющих номера 200, 160, 125, 100, 80, 63, 50, 40, 32, 25,20, 16, 10, 8, 6, 5, 4, 3, М40, М28, М20, М14, М10, М7 и М5 и подразделяются на четыре группы:

- шлифзерно (от № 200 до 15),

- шлифпорошки (от № 12 до 3),

- микропорошки (от М63 до М14)

- тонкие микропорошки (от М10 до М5).

Классификацию абразивных материалов по номерам зернистости проводят рассеиванием на специальных ситах, номер которого характеризует размер зерна. Номер зернистости абразивных материалов характеризуется фракцией: предельной, крупной, основной, комплексной и мелкой. Процентное содержание основной фракции обозначают индексами В, П, Н и Д. В настоящее время абразивные материалы добываются и производятся синтетически, причём новые синтетические материалы, как правило, более эффективны, чем природные.

3. Технология переработки полимеров

Процессу переработки предшествуют выбор материала для изготовления каждого изделия, базирующийся на анализе условий его эксплуатации, конструирование изделия, выбор метода формования и оборудования, создание технологической оснастки и определение оптимальных параметров процесса формования. Одновременно должен решаться вопрос утилизации отходов производства.

Технологический процесс переработки включает контроль качества исходного материала или его компонентов, подготовительные операции, в ряде случаев формирование заготовки изделия, собственно формование изделия, последующие мех. и разл. рода обработки, обеспечивающие улучшение или стабилизацию свойств материала или изделия, нанесение покрытий на изделие, контроль качества готового изделия и его упаковку.

Основные параметры процессов переработки: температура, давление и время.

Нагревание полимера приводит к увеличению податливости материала при формовании путем перевода его в вязко-текучее или эластическое состояние, к ускорению диффузионных и релаксационных процессов, а для реактопластов - к последующему отверждению материала.

Давление обеспечивает уплотнение материала и создание изделий требуемой конфигурации, оказывает сопротивление внутренним силам, возникающим в материале при формовании вследствие температурных градиентов и градиентов фазовых переходов, способствует выделению летучих продуктов.

Временные параметры процесса переработки выбираются с учетом протекающих в материале физических и химических процессов.

Оптимальные параметры рассчитывают или выбирают по результатам анализа технологических свойств полуфабрикатов и изделий, физической модели формования с учетом накопленного статистического опыта.

Переработка термопластов основана на их способности при нагреваться выше температуры стеклования переходить в эластическое, а выше температуры текучести и температуры плавления - в вязко-текучее состояние и затвердевать при охлаждении ниже температуры стеклования и температуры плавления.

При переработке реактопластов и резиновых смесей происходит химическое взаимодействие между молекулами (соответственно отверждение и вулканизация) с образованием нового, высокомолекулярного материала, находящегося в термостабильном состоянии и практически не обладающего растворимостью и плавкостью.

В некоторых случаях (при переработке резиновых смесей) для облегчения смешения с ингредиентами и дальнейшего формования изделий проводят предварительную пластикацию полимеров.

Деформирование полимеров в эластическом состоянии и при течении расплава сопровождается ориентацией макромолекул и надмолекулярных образований, а после прекращения деформирования полимера и течения расплава идет обратный процесс - дезориентация.

Степень сохранения ориентации в материале изделия зависит от скоростей протекания обоих процессов.

В направлении ориентации некоторые физико-механические характеристики материала (прочность, теплопроводность) возрастают; при этом структура материала оказывается неравновесной и напряженной, что приводит к снижению формоустойчивости изделия, особенно при повышенной температуре.

Длительное воздействие повышенной температуры, а в случае реактопластов и значительное выделение теплоты, сопровождающее отверждение, может приводить к термоокислительной деструкции материала, а большие скорости течения материала - к его механодеструкции.

Отверждение ряда реактопластов по реакции поликонденсации сопровождается выделением низкомолекулярных продуктов, вызывающих образование вздутий и трещин в изготовляемых деталях.

Охлаждение кристаллизующихся полимеров сопровождается образованием кристаллов, скорость роста, размеры и структура которых зависят от интенсивности охлаждения материала. Регулируя степень кристалличности и морфологию кристаллов, можно направленно изменять эксплуатационные характеристики изделия.

Полуфабрикаты полимеров (или компаунды), предназначенные для формования, могут в виде жидкостей (компаунды на основе мономеров и олигомеров, растворы и дисперсии полимеров и олигомеров), паст (резиновые смеси, премиксы на основе полиэфирных и эпоксидных связующих), порошков (наполненные и ненаполненные полимеры, твердые смолы и олигомеры), гранул (ненаполненные полимеры, смолы, олигомеры или полимеры, наполненные дисперсными частицами или армированные короткими волокнами), пленок, листов, плит, блоков (пластмассы и резиновые смеси), рыхловолокнистых композиций (спутанноволокнистые материалы, пропитанные связующим), препрегов на основе непрерывных волокнистых наполнителей (нити, жгуты, ленты, ткани, бумага, маты, пропитанные связующим, шпон).

По технологическим возможностям ненаполненные, наполненные дисперсными частицами или армированные волокнами полимеры идентичны и перерабатываются в изделия одинаковыми методами.

Стали (свойства, применение)

4. Отпуск и старение стали

Отпуск -- нагрев закаленной стали до температуры ниже Асу, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Проводится с целью устранения внутренних напряжений и повышения пластичности.

Рассмотрим превращения, происходящие при нагреве в закаленной на мартенсит стали.

Мартенсит, имеющий после закалки тетрагональную кристаллическую решетку, при нагреве выше 80° С начинает превращаться в кубический. Как всякий пересыщенный раствор, мартенсит неустойчив. Он распадается при комнатной температуре, но скорость распада чрезвычайно мала из-за незначительной тепловой подвижности атомов. При температуре выше 80° С подвижность атомов уже достаточна для того, чтобы углерод частично перешел из пересыщенного раствора в пластинки карбида толщиной всего в несколько атомных слоев за относительно небольшой промежуток времени. Это превращение происходит в интервале 80--170° С. При нем происходит уменьшение искажения кристаллической решетки мартенсита. Внутренние напряжения снижаются, уменьшается удельный объем мартенсита, размеры детали немного сокращаются. Твердость и прочность остаются почти неизменными, а пластические свойства несколько повышаются.

Отпуск в интервале 150--200° С называется низким отпуском. Низкому отпуску подвергают режущий инструмент и детали, работающие на износ, от которых требуется высокая твердость. В результате низкого отпуска получается отпущенный кубический мартенсит.

При нагреве закаленной стали от 200 до 300° С остаточный аустенит превращается в отпущенный мартенсит: это сопровождается некоторым увеличением размеров детали. К концу этого температурного интервала а-твердый раствор еще несколько пересыщен углеродом, внутренние напряжения практически устранены. Нагрев выше 300° С вызывает дальнейшее выделение углерода из мартенсита, происходит обособление карбидов с образованием очень мелких округлых включений цементита. При температурах выше 400° С карбиды укрупняются.

Отпуск стали -- диффузионный процесс. Превращение однородного мартенсита в карбидо-ферритную смесь с резким различием химического состава происходит в течение определенного времени. Нагреть сталь до заданной температуры отпуска недостаточно. Необходимо еще выдержать ее при этой температуре для завершения диффузионных процессов. Время выдержки при отпуске обычно колеблется от 30 мин до нескольких часов в зависимости от состава стали и размеров детали.

При распаде мартенсита получаются структуры троостита, сорбита и перлита. Они отличаются от тех же структур, получающихся в процессе распада аустенита, размером частиц и механическими свойствами. Форма цементитных включений, образующихся при распаде мартенсита, округлая, тогда как при распаде аустенита получаются пластинки цементита. Различная форма включений цементита обусловливает разные свойства. При одной и той же прочности сталь после отпуска получается более пластичной.

На рис. 85 показано, как изменяются механические свойства стали 45, закаленной с 840° С в масле, в процессе последующего отпуска. С повышением температуры отпуска твердость, предел прочности и предел текучести монотонно снижаются, а относительное удлинение и ударная вязкость повышаются. Изменяя температуру отпуска, можно получать различные сочетания механических свойств.

Отпуск в интервале 350--500° С называется средним отпуском. Он обеспечивает высокие предел упругости, предел прочности предел усталости и ударную вязкость. После среднего отпуска получается структура троостита отпуска.

Среднему отпуску подвергают, например, пружины подвесок трубопроводов, рессоры.

Высокому отпуску -- многие детали машин и элементы теплосилового оборудования. В частности, закалке в масле с последующим высоким отпуском подвергают толстостенные паропроводные трубы из некоторых легированных сталей. Углеродистую закаленную сталь при высоком отпуске нагревают до 500--650 С. При этом получают структуру троостита или сорбита отпуска.

Основное назначение высокого отпуска -- получение высоких пластических свойств и ударной вязкости при остаточной прочности и твердости стали. Комплекс механических свойств у сталь после закалки с высоким отпуском получается выше, чем после | нормализации или отжига. Двойная термическая обработкам состоящая из закалки и среднего или высокого отпуска, называется улучшением. Такая термическая обработка иногда необходима для шпилек и шпинделей теплосиловой арматуры.

Свойства углеродистой стали после закалки и отпуска определяются температурой и продолжительностью нагрева при отпуске. Они не зависят от скорости охлаждения после отпуска. Старение металла -- выделение мелкодисперсных частиц вторичных фаз в сплавах с ограниченной растворимостью. Избыточные компоненты выделяются в виде тончайших субмикроскопических включений по телу или границам зерен. Эти процессы вызывают повышение твердости и прочности, так как выделения вторичных фаз затрудняют перемещение дислокаций. В большинстве случаев старение сопровождается резким снижением пластичности и ударной вязкости. Для котельных сталей это совершенно недопустимо.

Котельный стальной лист и труба из малоуглеродистой стали проявляют склонность к старению в наклепанном состоянии (после вальцовки, гибки или других операций холодной пластической деформации). При вылеживании при комнатной температуре повышается твердость и прочность, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Этот процесс длится многие месяцы и называется естественным старением. Нагрев наклепанного металла до 250--300° С резко ускоряет процесс. Ударная вязкость при этом может снизиться до величины, составляющей 5--10% от исходной. Особенно подвержены старению стали, деформированные на 3--10%.

Охрупчивание металла может привести к авариям, особенно в тех случаях, когда деталь воспринимает ударные нагрузки. Старение -- одна из причин образования кольцевых трещин в трубах из малоуглеродистой стали в местах развальцовки.

Причина старения -- образование при быстром охлаждении пересыщенного раствора углерода и азота в феррите. При температуре 727° С в феррите растворяется 0,025% С, а при комнатной-- всего 0,006%). Пластическая деформация делает пересыщенный раствор еще менее стабильным. В результате его распада образуются весьма мелкодисперсные карбиды и нитриды железа. Нагрев при 250--300° С ускоряет процесс старения, так как диффузионная подвижность при этом повышается. При более высоких температурах одновременно с выпадением частиц происходит их укрупнение. Крупных частиц получается меньше, так как объем каждой из них существенно больше. Они относительно слабо влияют на свойства стали, и старение не наблюдается.

Наиболее склонны к старению малоуглеродистые стали, особенно кипящие (раскисленные только марганцем). Полуспокойная и спокойная стали менее чувствительны к старению. Особенно эффективно действует раскисление алюминием. Аналогично влияют молибден и ванадий. С повышением содержания углерода склонность стали к старению снижается.

Список литературы

твердость материал абразив

1. Козлов Ю.С. Материаловедение. М.: «Агар», 1999 .

2. Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1989.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.- М.: Машиностроение, 1990.

4. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. (4-е издание) - М.: Металлургия, 1994.

5. Лахтин Ю.М. Основы металловедения. М.: Металлургия, 1988.

6. Справочник по электротехническим материалам. Т. 1, 2, 3. - М.: Энертомиздат, 1986- 1988.

7. Электротехнические и конструкционные материалы: Справочник, М.: Академия, 2000 .

Размещено на Allbest.ru