Основы материаловедения Конструкционные материалы

1. Основы материаловедения Конструкционные материалы

Преподаватель:
Зольников А.Е.

2.

Конструкционные материалы
•Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления
деталей машин, приборов, инженерных конструкций, строительных сооружений,
опор, перекрытий, мостов, которые подвергающиеся механическим нагрузкам.
Эти детали и конструкции характеризуются большим разнообразием форм,
размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и
ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными
средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам,
основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.
В настоящее время основными конструкционными материалами являются
металлы (черные сплавы на основе железа, цветные сплавы, порошковые
материалы, композиционные материалы с металлической матрицей) и
неметаллы (пластмассы, композиционные материалы с неметаллической
матрицей, резины, клеи, герметики, силикатные материалы).

3.

Свойства конструкционных материалов делятся
на такие группы:
•физические, которые природно присущи материалу (плотность,
электро- и теплопроводность, магнитная проницаемость и др.);
•механические, которые выявляются при испытаниях материалов
(твердость, крепость, пластичность, гибкость, хрупкость и др.); ·
•технологические, которые выявляются в процессе обработки
материалов (жидкотекучесть, усадка, свариваемость, обрабатываемость
резанием, давлением и пр.); ·
•эксплуатационные, которые выявляются во время эксплуатации
элементов конструкций деталей и машин (коррозионная стойкость,
износостойкость, жаростойкость, холодностойкость, сопротивление
усталости).

4.

Требования к конструкционным материалам
•Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для
того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и
приборов, конструкционный материал должен иметь высокую
конструкционную прочность.
•Технологические требования направлены на обеспечение наименьшей
трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность
материала характеризуют возможные методы его обработки. Она
оценивается
обрабатываемостью
резанием,
давлением,
свариваемостью, способностью к литью, пайке, а также к термической
обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как
от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

5.

Требования к конструкционным материалам
•Экономические требования сводятся к тому, чтобы
материал имел невысокую стоимость и был доступным.
•Стали и сплавы по возможности должны содержать
минимальное
количество
легирующих
элементов.
Использование материалов, содержащих дорогостоящие
легирующие
элементы,
должно
быть
обосновано
повышением свойств деталей. Экономические требования,
так же как и технологические, приобретают особое значение
при массовом масштабе производства.

6.

Механические характеристики материалов.
•Конструкционная прочность - комплексная характеристика,
включающая сочетание критериев прочности, надежности и
долговечности.
•Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его
работы. Критериями механической прочности при статистических
нагрузках являются временное сопротивление или предел текучести,
характеризующие сопротивление материала пластической деформации.
Для приближенной оценки статической прочности используют твердость
по Бринеллю НВ.
•Для ограничения упругой деформации материал должен обладать
высоким модулем упругости (или сдвига), являющимся критерием его
жесткости. Именно критерии жесткости, а не прочности обусловливают
размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от
которых требуется сохранение точных размеров и формы.

7.

Механические характеристики материалов.
•Возможно и противоположное требование. Для пружин, мембран и
других упругих элементов приборов, наоборот, важно обеспечить
большие упругие перемещения. В этих случаях материал должен
обладать большим пределом упругости.
•Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике,
важное значение имеет плотность материала, удельная прочность.
•По величине выбранных критериев прочности рассчитывают
допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность
материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым
меньше размеры и масса детали.

8.

Свойства материалов
•Надежность – свойство материала противостоять хрупкому
разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в
условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за
протекания с большой скоростью, а также возможных аварийных
последствий.
Для
предупреждения
хрупкого
разрушения
конструкционные
материалы
должны
обладать
достаточной
пластичностью и ударной вязкостью
•Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию
постепенного разрушения, обеспечивая работоспособность деталей в
течение заданного времени. Причины потери работоспособности
разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести,
коррозии, радиационного разбухания и пр. Эти процессы вызывают
постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его
разрушение

9.

Свойства материалов
•Выносливость или циклическая долговечность характеризует
работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся
циклов напряжений. Большинство деталей машин испытывает
длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности - предел
выносливости. Процессы постепенного накопления повреждений в
материале под действием циклических нагрузок, приводящие к
изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и
разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости
выносливостью.
•Износостойкость - свойство материала оказывать в определенных
условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание - процесс
постепенного разрушения поверхностных слоев материала под
действием сил трения. Результат изнашивания называют износом. Его
определяют по изменению размеров, уменьшению объема или массы.
•Твердость – способность материала сопротивляться воздействию на его
поверхность.

10.

Контроль качества
•Методы контроля качества могут быть самые
разнообразные: визуальный осмотр, органолептический
анализ и инструментальный контроль и др. По стадии
определения
качества
различают
контроль
предварительный, промежуточный и окончательный.
•При предварительном контроле оценивается качество
исходного сырья, при промежуточном — соблюдение
установленного технологического процесса. Окончательный
контроль определяет качество готовой продукции, ее
годность и соответствие стандартам

11.

Методы исследования
•Микроанализом называется изучение структуры с
помощью оптического микроскопа при увеличении до 3000
раз.
С помощью макроанализа изучают структуру, видимую
невооруженным глазом или при небольшом увеличении с
помощью лупы. Макроанализ позволяет выявить различные
особенности строения и дефекты (трещины, пористость,
раковины и др.).

12.

Методы исследования
•Рентгеновский анализ применяют для выявления
внутренних дефектов. Он основан на том, что рентгеновские
лучи, проходящие через материал и через дефекты,
ослабляются в разной степени. Глубина проникновения
рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же
физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но
они способны проникать на большую глубину (для стали —
до 300мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и
миллиметрового диапазона позволяет обнаружить дефекты
в поверхностном слое неметаллических материалов, так как
проникающая способность радиоволн в металлических
материалах невелика.

13.

Методы исследования
•Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в
поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов,
обладающих магнитными свойствами и основана на
искажении магнитного поля в местах дефектов.
•Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять
эффективный контроль качества на большой глубине. Она
основана на том, что при наличии дефекта интенсивность
проходящего через материал ультразвука меняется.
•Капиллярная дефектоскопия служит для выявления
невидимых глазом тонких трещин. Она использует эффект
заполнения этих трещин легко смачивающими материал
жидкостями

14.

Коррозия металлов
•Коррозия - это самопроизвольное разрушение металлов
под воздействием окружающей среды.
•Среда, в которой металл корродирует, называется
коррозионная
среда
(иногда
используют
термин
«агрессивная среда»)
Ржавление железа на воздухе, образование окалины при
высокой температуре, растворение металлов в кислотах –
обычные примеры коррозии. В результате коррозии многие
ценные свойства металлов ухудшаются: уменьшается
прочность и пластичность, возрастает трение движущимися
деталями машин, нарушаются размеры деталей.
Вред, причиняемый коррозией, весьма велик: примерно
одна треть добываемого металла выбывает из технического
употребления по причине коррозии

15.

Коррозия металлов
•Электрохимическая коррозия - взаимодействие металла с
коррозионной средой (раствором электролита), при котором
ионизация
атомов
металла
и
восстановление
окислительного компонента коррозионной среды протекают
не в одном акте и их скорости зависят от электродного
потенциала металла (например, ржавление стали в морской
воде).
•Микробиологическая коррозия - это коррозионное
разрушение металлов при воздействии микроорганизмов и
продуктов их жизнедеятельности.

16.

Коррозия металлов. Методы защиты от нее
•Химическая коррозия обуславливается взаимодействием
металлов с сухими газами или жидкостями, не проводящими
электрического тока. К ней относится образование окалины
на железе при высокой температуре и вообще газовая
коррозия при высокой температуре без участия
электролитов.
Наибольший вред оказывает электрохимическая коррозия
металлов. Разрушение металла при соприкосновении с
электролитом с возникновением в системе электрического
тока
называется
электрохимической
коррозией.
Электрохимическая коррозия возникает самопроизвольно,
при этом образуется самопроизвольный гальванический
элемент, в котором внешняя электрическая цепь всегда
замкнута, так как различные металлы находятся в
непосредственном механическом контакте друг с другом

17.

Классификация коррозионных процессов
Коррозию классифицируют:
•по характеру коррозионных поражений.
•по механизму протекания различают химическую и
электрохимическую коррозию металлов.
•по условиям протекания процесса наибольшее
распространение получили следующие виды
коррозии:
газовую коррозию; атмосферную; жидкостную коррозию; подземную
коррозию; структурную коррозию; биокоррозию; коррозию внешним
током; коррозию блуждающим током; контактную коррозию; щелевую
коррозию;

18.

Виды коррозии
•газовая коррозия
температурах;
в
газовых
средах
при
высоких
•жидкостная коррозия: а) в электролитах (солевая,
кислотная, щелочная и т.д.); б) в неэлектролитах (жидком
броме, расплаве серы, жидком топливе и др.);
•коррозия
в
естественных
природных
условиях:
а)атмосферная коррозия в естественной атмосфере или в
атмосфере цеха, завода с повышенным содержанием
какихлибо газов; б) подземная коррозия в почвах, грунтах; в)
морская коррозия;
•микробиологическая коррозия (биокоррозия) за счет
продуктов жизнедеятельности бактерий, плесени или
грибков (выделение кислот, сероводорода, аммиака);
наблюдается на металлических конструкциях во влажных
почвах, в морской воде, во влажной атмосфере;

19.

Виды корозии
•структурная
коррозия
следствие
структурной
неоднородности металла. Например, графит в чугуне,
карбиды в сталях способствуют развитию этого вида
коррозии в кислотах;
•коррозия внешним током (электрокоррозия) под действием внешнего
источника тока;
•коррозия блуждающим током при прохождении блуждающего тока по
путям, не предусмотренным проектом. Блуждающие токи обусловлены
пробоем изоляции электрических кабелей, плохим заземлением
электрических машин и т.д.;
•контактная коррозия при контакте металлов, имеющих различные
потенциалы. Корродирует более электроотрицательный металл;

20.

Виды корозии
•термоконтактная коррозия возникает вследствие работы
гальванического элемента при разнице температур на
концах металла или конструкции, находящейся в
электролитически проводящей среде; щелевая коррозия в
щелях и зазорах между металлами (резьбовые и фланцевые
соединения), а также между металлом и неметаллом
вследствие неодинакового доступа кислорода к разным
зонам щели (или зазора);
•коррозия при кавитации при одновременном воздействии
на поверхность металла жидкой коррозионной среды и
ударного воздействия схлопывающихся микропустот в
жидкости; и т. д.

21.

По характеру коррозионных поражений
•По характеру коррозионных поражений различают общую
(сплошную) и местную коррозии.
•Общая, или сплошная, коррозия (рис. 1, а,в) поражает всю
поверхность металла.
•Сплошная коррозия бывает равномерная (рис. 1 , а),
неравномерная (рис. 1, б) и избирательная (рис. 1, в), при
которой
коррозионный
процесс
распространяется
преимущественно по какой либо структурной составляю
щей сплава, например, обесцинкование латуней.

22.

По характеру коррозионных поражений
•сквозная коррозия
язвенная или точечная коррозия
разрушает, например, листовой материал насквозь (рис. 1,
ж);
•нитевидная коррозия (рис. 1, з) коррозионное разрушение
распространяется в виде нитей, что наиболее характерно для
коррозии металлов под пленками лакокрасочных покрытий;
•подповерхностная коррозия (рис. 1, и) коррозионный
процесс начинается в поверхности, а затем распространяется
под поверхностью металла и т. д.

23.

По характеру коррозионных поражений

24.

Методы защиты металлов и сплавов от
газовой коррозии.
•Для защиты от газовой коррозии используют различные методы.
Основными из них являются:
а) жаростойкое легирование;
б) защитные покрытия;
в) создание защитных атмосфер.
Наиболее эффективным методом защиты от окисления при высоких
температурах является жаростойкое легирование – введение в состав
сплавов компонентов, повышающих его жаростойкость. К таким
компонентам в основном относятся хром, алюминий, кремний. Эти
элементы окисляются на воздухе легче, чем легируемый металл, и
образуют хорошую защитную пленку. Хром, алюминий и кремний
используют для легирования обычных железоуглеродистых, никелевых и
других сплавов.

25.

Методы защиты металлов и сплавов от
газовой коррозии.
•В качестве защитных покрытий в практике находят применение
металлические и неметаллические покрытия. Из металлических
покрытий
для
этих
целей
используют
главным
образом
термодиффузионные покрытия алюминием (термоалитирование),
хромом (термохромирование) и кремнием (силицирование).
•В качестве неметаллических покрытий применяют жаростойкие эмали.
•Алитирование стальных изделий осуществляют в собранном виде, так
как образующийся при этом защитный слой хрупок и не допускает
механической обработки (за исключением сварки).
•Алитированию подвергают изделия из стали, чугуна, меди.
Алитированное железо стойко в парах серы и сернистом газе и
применяется для защиты от окисления котельной аппаратуры, деталей
газогенераторов

26.

Методы защиты металлов и сплавов от
газовой коррозии.
•Термохромирование проводят при температуре 1000-1150 С
в течение 20-25 часов в жидкой, газообразной или твердой
(порошок) средах. Наиболее часто используется порошковый
метод, при котором применяют порошки, состоящие из
хрома или феррохрома, каолина (тонкодисперсной
глинистой породы, состоящей в основном из каолинита
Al2Si2O5(OH)4 для борьбы со спеканием) и нашатыря (для
создания неокислительной атмосферы). Образующийся в
результате диффузии хрома в сталь поверхностный слой
представляет собой твердый раствор FeCr . Он обладает
высокой жаростойкостью и твердостью.
•Термохромирование в газовой фазе проводят в парах
хлористых солей хрома.

27.

Методы защиты металлов и сплавов от
газовой коррозии.
•Силицирование осуществляют в порошко - образной (смесь
измельченного кремния или ферросилиция, шамота и
хлорида аммония) и газовой (пары четыреххлористого
кремния) средах при температуре 1000-1200 С в течение 1024 часов. В зависимости от температуры и времени
силицирования глубина проникновения выделяющегося
кремния (4Fe + +3SiCl4 = 3Si + 4FeCl3) различна и составляет
от 0,8мм до 1,0 мм. Поверхность силицированных изделий
тверда, износостойка и хорошо защищает углеродистую
сталь, чугун от газовой коррозии.

28.

Методы защиты металлов и сплавов от
газовой коррозии.
•Жаростойкие эмали представляют собой стекловидную
массу, получаемую сплавлением шихты (песок, мел, глина,
полевой шпат и др.) и плавней (бура, сода , поташ,
фтористые соли и др.). Кроме стеклообразующих веществ, в
шихту вводят оксиды хрома, титана, цинка, повышающие
жаростойкость, сцепляемость с металлом и придающие
эмали нужную окраску.
•Наиболее
жаростойкие
эмали
(так
называемые
керамические) выдерживают температуру 1100 С, а в
отдельных случаях – до 1400 .