МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

применяются различные материалы, называемые конструкционными. От правильного выбора конструкционного материала зависят

качество, надежность, экономичность  и долговечность деталей и машины в целом. Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические .

вещества с металлической связью между атомами.
Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением

двух или более компонентов
Неметаллические материалы – неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика и т.д.
Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры.
Композиционные материалы – гетерофазные (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам фаз) системы, полученные из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого отдельного компонента.

это материалы, которые не имеют кристаллической структуры. Вещества, атомная структура

которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, Они занимают промежуточное положение между кристаллами и жидкостями, поэтому их нельзя однозначно назвать твёрдыми. Молекулы и атомы в изотропных твердых телах располагаются хаотично, образуя лишь небольшие локальные группы, содержащие несколько частиц (ближний порядок).
Характерной особенностью аморфных тел является их изотропность, т. е. независимость всех физических свойств (механических, оптических и т. д.) от направления внешнего воздействия.
Аморфные тела обладают текучестью и не имеют определённой температуры плавления.
С течением времени (недель, месяцев) аморфные вещества могут переходить в кристаллическое состояние самопроизвольно.

одинаковых длинный молекулярных цепочек т. е. молекулярных полимерных цепей, соединенных

химическими связями.
В химии полимеры называют также высокомолекулярными соединениями. Существуют как природные так и искусственные вещества. Полимеры обладают прочностью и эластичностью.

атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве. Частицы

кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.
Кристаллические вещества имеют строго определенную температуру плавления.

теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления

внутри кристалла.

Аллотропия (от греческого «tropos» — признак) — это процесс, при котором один химический элемент может трансформироваться в два или больше простых веществ.

агрегатного состояния находится в двух или больше видоизменениях с различной

кристаллическим построением и свойствами при одинаковом химическом составе. Но аллотропия имеет отношение лишь к простым веществам, вне зависимости от их агрегатного состояния, а полиморфизм — к любому твердому вещество, без указания на то, простое оно или сложное.

природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, полупроводниковых и

диэлектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях.

мелких кристаллов какого-либо вещества (в противоположность монокристаллу — отдельному кристаллу).

Составляющие поликристалл кристаллы из-за неправильной формы называют кристаллическими зёрнами или кристаллитами. Поликристаллами являются многие естественные и искусственные материалы (минералы, металлы, сплавы, керамики и др.)

100 нм. По комплексу свойств они существен­но отличаются от обычных

материалов такого же химического состава, даже если структура последних является мелкозернистой с размером зе­рен в поперечном направлении не более 5 — 10 мкм.
Нанокристаллические материалы получают быстрой кристаллизацией посредством испарения-осаждения, плазменного распыления, лазерного оплавления, а также механическим легированием.

характеризующееся симметрией, запрещённой в классической кристаллографии, и наличием дальнего порядка.

Обладает наряду с кристаллами дискретной картиной дифракции.
Математической моделью квазикристаллов являются апериодичные мозаики.
Квазикристаллы обладают двумя важными свойствами — во-первых, способны укреплять композитные материалы (например, для получения сверхпрочных сталей — иголки для операций по глазам), а, во-вторых, при охлаждении квазикристалл становится изолятором, а при нагреве — проводником.

фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определённых условиях

(температура, давление, концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всём объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности.

под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их

в промышленности.

вне химического взаимодействия: температура плавления, температура кипения, вязкость, плотность, диэлектрическая

проницаемость, теплоёмкость, теплопроводность, электропроводность, абсорбция, цвет, концентрация, эмиссия, текучесть, индуктивность, радиоактивность

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных афессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

– способность металлов и сплавов подвергаться обработке различными способами –

литьем, давлением, сваркой, резанием:
1. Литейные свойства – способность образовывать отливки без трещин, раковин и др. дефектов
2. Деформируемость, ковкость – способность обрабатываться давлением (ковкой, штамповкой, прокаткой, волочением), то есть способность принимать нужную форму при холодной или горячей деформации
3. Свариваемость – способность соединяться с одноименным или другими материалами путем сварки.
4. Обрабатываемость резанием – возможность обработки металлов и сплавов резанием. Трудно обрабатываются резанием твердые материалы или вязкие материалы с низкой твердостью

магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы

однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.
Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.
Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.
Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.
Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.
Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.

материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;
коррозионная стойкость –

способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;
жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;
жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость  при высоких температурах;
хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;
антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

по Бринеллю
Измерение твердости по Роквеллу
Испытания на выносливость
Испытания на ударный изгиб
Хрупкое

внутризеренное разрушение (скол)
Вязкое внутризеренное разрушение
Межзеренное разрушение

К механическим (конструкционным) свойствам относятся:
прочность;
упругость;
пластичность;
твердость;
ударная вязкость.

изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации

подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются.
Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.
Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца  .
Относительное остаточное

удлинение определяется по формуле:


где – длина образца после испытания;
–длина образца до испытания.
Относительное остаточное сужение определяется из выражения:


где – начальная площадь поперечного сечения образца;
– площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

пропорциональности – напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между

нагрузкой и деформацией достигает некоторой определенной величины

Предел упругости – напряжение, при котором остаточная деформация достигает заданной величины.
Остаточная деформация выбирается от 0,05 до 0,005%

деформируется под действием неизменной нагрузки.
Предел прочности или временное сопротивление –

условное напряжение, соответствующее максимальному усилию, которое может выдержать образец до разрушения.

Условный предел текучести (σ0,2 ) – напряжение, которому соответствует остаточная деформация, равная 0,2%.

Относительное удлинение –
где l0 – начальная длина образца
lК – конечная длина образца
Относительное сужение –
где F0 – исходная площадь поперечного сечения образца,
FК – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения

(индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо

по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

равным 10, 5 или 2,5 мм.
Нагрузка – от 2,5D2 до

30D2 (кГс)
Время выдержки под нагрузкой – 10, 30 или 60 секунд.

Число твердости по Бринеллю (HB) – отношение нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка Fотп

Схема определения твердости по Бринеллю

при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм.
Р0 – предварительная

нагрузка (100Н)
Р1 – основная нагрузка.

Единица твердости по Роквеллу (HR) – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индентора на 0,002мм.

пирамиду с углом равным 136°. По нагрузке, приходящейся на единицу

поверхности отпечатка, определяют твердость, обозначаемое HV:




где Р – нагрузка на пирамиду, Н (кгс); d – среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм; α – угол   между   противоположными гранями пирамиды.

1000 Н (соответственно 5, 10, 20, 30, 50, 100 кгс).

Возможность применения малых нагрузок – 50, 100 Н (5, 10 кгс) позволяет испытывать материалы тонкого сечения и твердые поверхностные слои (например, цианированные, азотированные). Для определения числа твердости HV по величине диагонали отпечатка используют специальную таблицу. Числа твердости до 400 HV единиц совпадают с числами твердости НВ (по Бринеллю), а при твердости более 400 HV они превышают числа твердости НВ и тем больше, чем выше твердость. 

фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод

аналогичен способу Виккерса.
Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании   составляют 5…500 н.

по глубине проникновения в материал специальной закалённой стальной иглы (индентора)

под действием калиброванной пружиныВ данном методе измерительный прибор именуется дюрометром. Обычно метод Шора используется для определения твердости низкомодульных материалов (полимеров).

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. Твёрдость по этому методу Шора оценивается в условных единицах, пропорциональных высоте отскакивания бойка.

не только плавно возрастающих нагрузок, но одновременно подвергаются и ударным (динамическим)

нагрузкам. Поэтому необходимо знать, насколько хорошо сопротивляется металл действию на него этих нагрузок.
Метод основан на разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникового копра. Концы образца располагают на опорах.  В результате испытания определяют полную работу, затраченную при ударе (работу удара), и ударную вязкость.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.

изломом надрезанного образца, свободно установленного на две опоры копра (рис.

5 и 6), падающим с определенной высоты массивным маятником.
Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора. 

вязкость.

нагружения –
изгиб с вращением
Цикл напряжений
Кривые усталости
Разрушение при усталости (схема)

(скол)
Хрупкое разрушение Feα происходит по плоскостям {100}

разрушение

(предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5 - Относительное удлинение при разрыве

, [ % ]
y - Относительное сужение , [ % ]
KCU - Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB - Твердость по Бринеллю , [МПа]

Физические свойства :
T - Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E - Модуль упругости первого рода , [МПа]
a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]
λ - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
 - Плотность материала , [кг/м3]
C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

пластичность, твердость, ударная вязкость и т.д.
Испытание растяжением. Характеристики прочности

и пластичности

Испытание на ударную вязкость.

Прочностные характеристики: предел текучести (напряжение, при котором начинается пластическая деформация), предел прочности (напряжение, при котором материал разрушается). Характеристика пластичности: относительное удлинение до разрушения

в металла других металлов или других элементов получают сплавы, которые

могут обладать совершенно другими свойствами, чем те металлы, из которых они состоят

Изменение внутренней структуры: деформационно-термическая обработка

Для улучшения прочности и/или пластичности металлы подвергают ковке, прокатке, отжигу, закалке, старению и другим видам обработки