Методическая разработка урока по дисциплине «Материаловедение» Специальность «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Методическая разработка урока по дисциплине «Материаловедение» Специальность «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» Тема урока: Строение, свойства и способы испытания металлов. Преподаватель: Колтовская А.А. Тип урока: Урок усвоения нового материала. Вид урока: Лекция с самостоятельной работой студентов. Оборудование урока: компьютер, мультимедийный проектор. Цели урока:  учебные: изучить свойства металлов;  развивающие:  развивать способность выделять главное и записывать это в виде конспекта,   уметь   самостоятельно   усваивать   знания;   развивать   творческое мышление, внимание;  воспитательные:   воспитывать   культуру   общения,   чувство   коллективизма   и сопереживания   успехам   и   неудачам   товарищей,   умение   работать   в   коллективе, формировать техническую грамотность студентов. В   процессе   урока   у   обучающихся   формируются   следующие   общие   компетенции (ОК): OK1.   Понимать   сущность   и   социальную   значимость   своей   будущей   профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК   2.   Организовывать   собственную   деятельность,   выбирать   типовые   методы   и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество. ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность. ОК   4.   Осуществлять   поиск   и   использование   информации,   необходимой   для эффективного   выполнения   профессиональных   задач,   профессионального   и   личностного развития. ОК   5.     Использовать   информационно­коммуникативные   технологии     в профессиональной деятельности. ОК   6.   Работать   в   коллективе   и   команде,   эффективно   общаться   с   коллегами, руководством, потребителями. Ход урока 1. Организационный момент ­3 мин. Приветствие преподавателя, проверка готовности к уроку, организация внимания. 2.  Актуализация опорных знаний ­ 5 мин. В ходе фронтальной беседы студентам напоминаются основные понятия предыдущей темы, задаются следующие вопросы:   Как получают титан и магний?  Какие свойства титана и магния вы знаете? 3. Формулировка темы и целей урока. Тема: Строение, свойства и способы испытания металлов. Цели: в конце урока студенты должны знать механические характеристики металлов.  Уметь   оценивать   и   прогнозировать   поведение   материала   в   результате   анализа   условий эксплуатации и производства; обоснованно и правильно выбирать материал, в соответствие требованиям нормативно­технической документации. 4. Объяснение нового материала. 5. Закрепление нового материала. Вопросы для закрепления 1. Перечислите основные свойства металлов. 2.В чем заключается испытание на растяжение? 3.Дайте определение показателям прочности. 6. Домашнее задание. Конспект лекции. Рекомендуемый теоретический материал 1 Понятие «металловедение». Роль отечественной науки в развитии металловедения  2 Кристаллическое строение металлов  3 Кривые нагревания и охлаждения металлов 4 Основные свойства металлов, их значение при выборе сплавов для изготовления деталей машин  5 Испытание металлов на растяжение, на твердость, ударную вязкость. Краткие сведения о технологических испытаниях металлов. 1 Понятие «металловедение». Роль отечественной науки в развитии металловедения Металловедение  ­  наука,  изучающая   зависимость   между   составом,   строением   и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных. Создание   научных   основ   металловедения   по   праву   принадлежит.   Чернову   Д.К., который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством   углерода   в   сталях.   Этим   были   заложены   основы   для   важнейшей   в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.  Открытием   аллотропических   превращений   в   стали,   Чернов   заложил   фундамент термической   обработки   стали.   Критические   точки   в   стали,   позволили   рационально выбирать   температуру   ее   закалки,   отпуска   и   пластической   деформации   в производственных условиях.  В   своих   работах   по   кристаллизации   стали,   и   строению   слитка   Чернов   изложил основные   положения   теории   литья,   не   утратившие   своего   научного   и   практического значения в настоящее время.  Великий   русский   металлург   Аносов   П.П.   впервые   применил   микроскоп   для исследования структуры металлов. Ему принадлежит приоритет в создании легированных сталей. Разработал теорию и технологию изготовления клинков из булатной стали. Из его работ   стало   ясно,   что   так   называемый   булатный   узор   на   поверхности   стали, непосредственно зависит от ее внутренней структуры.  В 1873­1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения   состава   и   относительного   количества   фаз.   Обязательно   знать   структуру сплавов,   то   есть   атомное   строение   фаз,   составляющих   сплав,   а   также   распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.  Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г),   показавшего,   что   атомы   в   кристалле   регулярно   заполняют   пространство,   образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов. В   последнее   время   для   структурного   анализа,   кроме   рентгеновских   лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие  методы исследования  называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскоп.   В   настоящее   время   на   электронных   микроскопах   полезное   максимальное увеличение доведено до 100000 раз.  В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов,   было   показано,   что   большинство   наиболее   важных   свойств,   в   том   числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных   явлений   и   для   конструирования   сплавов   с   заданными   механическими свойствами.  Благодаря   теории  дислокаций,  удалось  получить  достоверные  сведения   об изменениях   Особенно   интенсивно   развивается   металловедение   в   последние   десятилетия.   Это объясняется   потребностью   в   новых   материалах   для   исследования   космоса,   развития электроники, атомной энергетики.    пластической   деформации.   при   их   в   металлах Основными   направлениями   в   развитии   металловедения   является   разработка способов   производства   чистых   и   сверхчистых   металлов,   свойства   которых   сильно отличаются   от   свойств   металлов   технической   чистоты,   с   которыми   преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее рассчитанными  свойствами  применительно  к заданным  параметрам  и условиям  работы. Большое   внимание   уделяется   изучению   металлов   в   экстремальных   условиях   (низкие   и высокие температуры и давление).  До   настоящего   времени   основной   материальной   базой   машиностроения   служит черная   металлургия,   производящая   стали   и   чугуны.   Эти   материалы   имеют   много положительных   качеств   и   в   первую   очередь   обеспечивают   высокую   конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через   20­40   лет   все   развитые   страны   перестроятся   на   массовое   использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2­3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.  По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10­15 лет машиностроение могло перейти  на выпуск алюминиево­титановой подвижной техники,   которая   отличается   легкостью,   коррозионной   стойкостью   и   большим безремонтным ресурсом.  Важное   значение   имеет   устранение   отставания   нашей   страны   в   области использования   новых   материалов   взамен   традиционных   (металлических)   ­   пластмасс, керамики, материалов  порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.  Расчетами   установлено,   что   замена   ряда   металлических   деталей   легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии. 2  Кристаллическое строение металлов  В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место. Подтверждение   этому:   и   в   названиях   эпох   (золотой,   серебряный,   бронзовый, железный   века),   на   которые   греки   делили   историю   человечества:   и   в   археологических находках   металлических   изделий   (кованые   медные   украшения,   сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике. Причина этого ­ в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми. Металлы  –   один   из   классов   конструкционных   материалов,   характеризующийся определённым набором свойств: - "металлический блеск" (хорошая отражательная способность); - пластичность; - высокая теплопроводность; - высокая электропроводность.  Не потеряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: "Металлы суть светлые тела, которые ковать можно". Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического   состояния,   металл   представляет   собой   вещество,   состоящее   из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность   перемещаться   по   всему   объёму   металла,   т.е.   принадлежать   целой совокупности атомов. Таким   образом,   пластичность,   теплопроводность   и   электропроводность обеспечиваются наличием "электронного газа". Все   металлы,   затвердевающие   в   нормальных   условиях,   представляют   собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком   –   периодичностью,   как   по   различным   направлениям,   так   и   по   различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка. Другими словами,  кристаллическая  решетка это воображаемая  пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело. Элементарная   ячейка  –   элемент   объёма   из   минимального   числа   атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются: - - - - - ). размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами   ближайших   атомов.   В   одном   направлении   выдерживаются   строго определёнными. углы между осями ( координационное   число   (К)   указывает   на   число   атомов,   расположенных   на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке. базис   решетки   количество   атомов,   приходящихся   на   одну   элементарную   ячейку решетки. плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые   условно   рассматриваются   как   жесткие   шары.   Ее   определяют   как отношение   объема,   занятого   атомами   к   объему   ячейки   (для   объемно­ центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74) Рисунок 1 Схема кристаллической решетки   Классификация   возможных   видов   кристаллических   решеток   была   проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего   для   кристаллических   тел   существует   четырнадцать   видов   решеток,   разбитых   на четыре типа: примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек; базоцентрированный   –   атомы   занимают   вершины   ячеек   и   два   места   в противоположных гранях; объемно­центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр; гранецентрированный   –   атомы   занимают   вершины   ячейки   и   центры   всех   шести граней - - - -          Рисунок   2   Основные   типы   кристаллических   решеток:   а   –   объемно­центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная   Основными типами кристаллических решёток являются: 1. Объемно ­ центрированная кубическая (ОЦК) (см. рисунок 2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti,  2. Гранецентрированная   кубическая   (ГЦК)   (см.   рисунок   2б),   атомы   располагаются   в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней (Ag, Au,  3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник: ) ) простая   –   атомы   располагаются   в   вершинах   ячейки   и   по   центру   2   оснований (углерод в виде графита); плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк). - - Свойства   тела   зависят   от   природы   атомов,   из   которых   оно   состоит,   и   от   силы взаимодействия   между   этими   атомами.   Силы   взаимодействия   между   атомами   в значительной   степени   определяются   расстояниями   между   ними.   В   аморфных   телах   с хаотическим   расположением   атомов   в   пространстве   расстояния   между   атомами   в различных   направлениях   равны,   следовательно,   свойства   будут   одинаковые,   то   есть аморфные тела изотропны В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между  атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией. Чтобы  понять явление  анизотропии  необходимо  выделить  кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле. Плоскость,   проходящая   через   узлы   кристаллической   решетки,   называется кристаллографической плоскостью. Прямая,   проходящая   через   узлы   кристаллической   решетки,   называется кристаллографическим направлением. Для   обозначения   кристаллографических   плоскостей   и   направлений   пользуются индексами   Миллера.  Чтобы   установить   индексы   Миллера,   элементарную   ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y,Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки. Рисунок   3   Примеры   обозначения   кристаллографических   плоскостей   (а)   и кристаллографических направлений (б)   Для определения индексов кристаллографической плоскости необходимо: установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах - периода решетки; - - взять обратные значения этих величин; привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел. Полученные   значения   простых   целых   чисел,   не   имеющие   общего   множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рисунке 3а. Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110) Ориентация   прямой   определяется   координатами   двух   точек.   Для   определения индексов кристаллографического направления необходимо: - одну точку направления совместить с началом координат; - решетки -  установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целых чисел. Индексы  кристаллографических   направлений   указываются   в квадратных  скобках [111] В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl].  Способность   некоторых   металлов   существовать   в   различных   кристаллических формах   в   зависимости   от   внешних   условий   (давление,   температура)   называется аллотропией или полиморфизмом. (Можно дать задание приготовить сообщение по этому вопросу студенту). (сообщение студента) В один из морозных зимних дней на петербургском складе военного обмундирования царила паника. Складской сторож, отставной солдат, обалдело прива­ лился к штабелю ящиков и тупо глядел перед собой пустыми глазами. Неподалеку шесть чиновников   военного   ведомства   столпились   вокруг   открытых   ящиков   и  возбужденно размахивали руками. Да и было от чего прийти в волнение: на складе пропали... пуговицы. Блестящие оловянные  солдатские  пуговицы таинственным образом исчезли из ящиков. Злоумышленник выгреб все пуговицы и словно в насмешку насыпал в ящики какой­то серый порошок. История   не   донесла   до   нас,   как   вышли   чиновники   из   этого   положения.   Случай   с пуговицами постепенно забыли, а вспомнили о нем только через сто лет, когда весь мир был потрясен трагической гибелью экспедиции англичанина Роберта Скотта. Горстка отважных путешественников пробивалась к Южному полюсу. Меховые шубы не защищали от невиданных морозов, ослепительная  белизна снега резала глаза. Когда северные собаки отказывались бежать и ложились в снег, тогда люди сами впрягались в нарты. Ничто не могло сломить их волю. Но когда они достигли наконец заветной цели, то увидели   на   полюсе...   норвежский   флаг.   Лишь   на   месяц   их   опередил   прославленный Амундсен. Измученные, разочарованные путешественники повернули назад, и на обратном пути   экспедиция   погибла.   Одной   из   причин   послужило...   олово.   Обыкновенное   олово, которым были пропаяны бидоны с керосином. На морозе олово  превратилось  в серый порошок, бидоны прохудились, и керосин вытек. Когда   причины   гибели   экспедиции   Скотта   стали   известны,   вспомнили   и   историю   с пуговицами. Природа продемонстрировала неизвестное свойство металлов ­ способность их "болеть". Действительно, олово на морозе заболевает. Название этой болезни придумали – "оловянная чума". Эта болезнь заразная. Достаточно мельчайшей  частичке «больного» олова попасть на здоровое, и при минусовой температуре начинается "эпидемия" Каждый   вид   решетки   представляет   собой  аллотропическое   видоизменение  или модификацию. Примером   аллотропического   видоизменения   в   зависимости   от   температуры является железо (Fe). Fe:  – ОЦК ­  ; – ГЦК ­  ; – ОЦК ­  ; (высокотемпературное  ) Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым  эффектом. Видоизменения элемента обозначается  буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла. Примером аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз. Используя явление  полиморфизма,  можно упрочнять и разупрочнять сплавы  при помощи термической обработки.   Некоторые   металлы   намагничиваются   под   действием   магнитного   поля.   После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено   на   железе   и   получило   название   ферромагнетизма.   К   ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы. При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для   железа   –   ).   Выше   этой   температуры   металлы   становятся   парамагнетиками. Магнитные   превращения   не   связаны   с   изменением   кристаллической   решетки   или микроструктуры,   они   обусловлены   изменениями   в   характере   межэлектронного взаимодействия 3 Кривые нагревания и охлаждения металлов Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно   для   жидкого   и   кристаллического   состояний.   Характер   изменения   свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 4.  Рисунок 4 Изменение свободной энергии в зависимости от температуры   В соответствии с этой схемой выше температуры ТS  вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом. При температуре равной ТS  жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно   бесконечно   долго.   Температура   ТS  –  равновесная  или  теоретическая температура кристаллизации. Для   начала   процесса   кристаллизации   необходимо,   чтобы   процесс   был термодинамически   выгоден   системе   и   сопровождался   уменьшением   свободной   энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется  фактической температурой кристаллизации. Охлаждение   жидкости   ниже   равновесной   температуры   кристаллизации   называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения ( ): Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения). Рассмотрим переход металла из жидкого состояния в твердое. При   нагреве   всех   кристаллических   тел   наблюдается   четкая   граница   перехода   из твердого состояния  в жидкое.  Такая же  граница существует  при  переходе  из  жидкого состояния в твердое. Кристаллизация  –   это   процесс   образования   участков   кристаллической   решетки   в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии. Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми   в   координатах   время   –   температура.   Кривая   охлаждения   чистого   металла представлена на рисунке 5.  Рисунок 5 Кривая охлаждения чистого металла   – теоретическая температура кристаллизации; . – фактическая температура кристаллизации. Процесс кристаллизации чистого металла: До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением   температуры.   На   участке   1   –   2   идет   процесс   кристаллизации, сопровождающийся   выделением   тепла,   которое   называется  скрытой   теплотой кристаллизации.   Оно   компенсирует   рассеивание   теплоты   в   пространство,   и   поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.   4 Основные свойства металлов, их значение при выборе сплавов для изготовления деталей машин   Физические   свойства.  К   физическим   свойствам   металлов   относят   цвет,   плотность, температуру   плавления,   теплопроводность,   тепловое   расширение,   теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др. Цветом   называют   способность   металлов   отражать   световое   излучение   с определенной   длиной   волны.   Например,   медь   имеет   розово­красный   цвет,   алюминий   ­ серебристо­белый. Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето­ и ракетостроении стремятся использо­ вать   более   легкие   металлы   и   сплавы   (алюминиевые,   магниевые,   титановые),   что способствует снижению массы изделий. Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам   3416°С,   тантал   2950°С,   титан   1725°С   и   др.)   и   легкоплавкие   (олово   232°С, свинец  327°С,  цинк  419,5°С,  алюминий   660°С).  Температура   плавления  имеет   большое значение   при   выборе   металлов   для   изготовления   литых   изделий,   сварных   и   паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий. В системе СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К). Теплопроводностью   называют   способность   металлов   передавать   тепло   от   более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе металла для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и   быстром   охлаждении   (термическая   обработка,   сварка)   в   нем   образуются   трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из   материалов   с   хорошей   теплопроводностью.   В   системе   СИ   теплопроводность   имеет размерность Вт/ (м • К). Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при   нагревании   и   уменьшаться   при   охлаждении.   Тепловые   расширения   должны учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельсов. Теплоемкостью   называют   способность   металла   при   нагревании   поглощать определенное количество тепла.  Способность   металлов   проводить   электрический   ток   оценивают   двумя   взаимно противоположными характеристиками ­ электропроводимостью и электросопротивлением. Хорошая электропроводимость необходима, например, для токонесущих проводов (медь, алюминий).   При   изготовлении   электронагревательных   приборов   и   печей   необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры   металла   его   электропроводимость   уменьшается,   а   с   понижением   ­ увеличивается. Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной   постоянной,   т.   е.   способностью   металлов   намагничиваться.   Высокими магнитными   свойствами   обладают   железо,   никель,   кобальт   и   их   сплавы,   называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов. Химические   свойства.  Химические   свойства   характеризуют   способность   металлов   и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом   воздуха,   растворами   кислот,   щелочей   и   др.   Чем   легче   металл   вступает   в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов   под   действием   на   их   поверхность   внешней   агрессивной   среды   называют коррозией. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими.   Такие   металлы   применяют   для   изготовления   деталей,   которые эксплуатируются в зоне высоких температур. Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах. Механические свойства. Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется   механическими   свойствами.   Поэтому   при   выборе   материала   для изготовления   деталей   необходимо   прежде   всего   учитывать   его   механические   свойства: прочность,   упругость,   пластичность,   ударную   вязкость,   твердость   и   выносливость.   Эти свойства   определяют   по   результатам   механических   испытаний,   при   которых   металлы подвергают воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (повторно­переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.          Прочность ­ способность материала сопротивляться разрушению под   действием нагрузок, оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности материала является также удельная прочность ­ отношение предела прочности материала к его плотности.  Упругость  ­  способность   материала   восстанавливать   первоначальную   форму   и размеры после прекращения действия нагрузки.  Пластичность ­ это способность материала принимать новую форму и размеры под действием   внешних   сил,   неразрушаясь.   Характеризуется   относительным   удлинением   и относительным сужением. δ σ Относительное   удлинение   (после   разрыва)   щения   (lk­l0) расчетной   длины   образца   после   разрыва   к   его   первоначальной   расчетной   длине  l0, выраженное в процентах:    ­   это   отношение   прира lk­l0/ l0) 100%.  =( δ Относительное сужение (после разрыва)     ­ это отношение разности начальной и минимальной площадей  (F0  ­Fk)  поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fg поперечного сечения, выраженное в процентах: σ =(F0­­Fk / F0) 100%. Чем больше значения относительного удлинения и сужения для материала, тем он более   пластичен.   У   хрупких   материалов   эти   значения   близки   к   нулю.   Хрупкость конструкционного материала является отрицательным свойством. Ударная   вязкость  ­  это   способность   материала   сопротивляться   динамическим нагрузкам.   Для   испытания   изготовляют   специальные   стандартные   образцы,   имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий  маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу.   При   этом   фиксируется   работа,   затраченная   на   излом.   Определение   ударной вязкости   особенно   важно   для   некоторых   металлов,   работающих   при   минусовых температурах   и   проявляющих   склонность   к   хладноломкости.   Чем   ниже   порог хладноломкости, т.е. температура, при которой вязкое разрушение материала переходит в хрупкое, и чем больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость ­ снижение ударной вязкости материалов при низких температурах. Циклическая   вязкость  ­  это   способность   материалов   поглощать   энергию   при повторно­переменных   нагрузках.   Материалы   с   высокой   циклической   вязкостью   быстро гасят   вибрации,   которые   часто   являются   причиной   преждевременного   разрушения. Например, чугун, имеющий высокую  циклическую вязкость, в некоторых случаях (для станин   и   других   корпусных   деталей)   является   более   ценным   материалом,   чем   уг­ леродистая сталь. Твердостью называют способность материала сопротивляться проникновению в него другого,   более   твердого   тела.   Высокой   твердостью   должны   обладать   металлорежущие инструменты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно­упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса. Усталостью   называют   процесс   постепенного   накопления   повреждений   материала под действием повторно­переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Усталость металла обусловлена концентрацией напряжений в отдельных его объемах,   в   которых   имеются   неметаллические   включения,   газовые   пузыри,   различные местные дефекты и т. д.  Выносливость ­ свойство материала противостоять усталости. Предел выносливости ­   это   максимальное   напряжение,   которое   может   выдержать   металл   без   разрушения заданное число циклов нагружения.  Технологические   свойства.  Эти   свойства   характеризуют   способность   металлов подвергаться   обработке   в   холодном   и   горячем   состояниях.   Технологические   свойства определяют при технологических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе   (рисунок   6),   осматривают.   Признаком   того,   что   образец   выдержал   испытание, является   отсутствие   трещин,   надрывов,   расслоения   или   излома.   К   основным технологическим   свойствам   относят:   обрабатываемость   резанием,   свариваемость, ковкость, литейные свойства и др. Обрабатываемость резанием ­ одно из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а также деталей сварных узлов и конструкций подвергается   механической   обработке.   Одни   металлы   обрабатываются   хорошо   до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается   шероховатой,   с   задирами.   Улучшить   обрабатываемость,   например,   стали можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость. Свариваемость ­ способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого   близки   к   свойствам   основного   металла.   Ее   определяют   пробой   сваренного образца на загиб или растяжение. Ковкость  ­  способность   металла   обрабатываться   давлением   в   холодном   или горячем   состоянии   без   признаков   разрушения.   Ее   определяют   кузнечной   пробой   на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то такой образец   считается   выдержавшим   пробу,   а   испытуемый   металл   —   пригодным   для обработки давлением.       Рисунок   6   Технологические   пробы:   а   ­   изгиб   на   определенный   угол,   б   ­   изгиб   до параллельности сторон, в ­ изгиб до соприкосновения сторон, г­ на навивание, д ­ на сплющивание труб, е ­ на осадку Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки без   трещин,   раковин   и   других   дефектов.   Основными   литейными   свойствами   являются жидкотекучесть, усадка и ликвация. Жидкотекучесть  ­  способность   расплавленного   металла   хорошо   заполнять полость литейной формы. Усадка при кристаллизации  ­  это уменьшение объема металла при переходе из жидкого   состояния   в   твердое;   является   причиной   образования   усадочных   раковин   и усадочной пористости в слитках и отливках. Ликвация  ­  неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации,   обусловлена   тем,   что   сплавы,   в   отличие   от   чистых   металлов, кристаллизуются   не   при   одной   температуре,   а   в   интервале   температур.   Чем   шире температурный   интервал   кристаллизации   сплава,   тем   сильнее   развивается   ликвация, причем   наибольшую   склонность   к   ней   проявляют   те   компоненты   сплава,   которые наиболее   сильно   влияют   на   ширину   температурного   интервала   кристаллизации   (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод). Эксплуатационные   свойства.   Эксплуатационные   свойства   характеризуют   способность материала работать в конкретных условиях. Износостойкость  – способность материала  сопротивляться  поверхностному разрушению под действием внешнего трения. Коррозионная стойкость  – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред. Жаростойкость  – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Жаропрочность  –   это   способность   материала   сохранять   свои   свойства   при   высоких температурах. Хладостойкость  –   способность   материала   сохранять   пластические   свойства   при отрицательных температурах. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу. 5.Испытание   металлов   на   растяжение,   на   твердость,   ударную   вязкость.   Краткие сведения о технологических испытаниях металлов. Механические   свойства   определяют   поведение   материала   при   деформации   и разрушении от действия внешних нагрузок. В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при: 1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно. 2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер. 3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению. Для   получения   сопоставимых   результатов   образцы   и   методика   проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами. При статическом испытании на растяжение получают характеристики прочности и пластичности. Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению. Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму (мм)   от   действующей растяжения,   выражающую   зависимость   удлинения   образца   нагрузки Р, т.е.  . Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения  от напряжения Рисунок 7 Диаграмма растяжения:  а  – абсолютная, б  – относительная;  в  – схема определения условного предела текучести Проанализируем   процессы,   которые   происходят   в   материале   образца   при увеличении нагрузки. Участок  оа  на   диаграмме   соответствует   упругой   деформации   материала,   когда соблюдается закон Гука. Напряжение, соответствующее упругой предельной деформации в точке а, называется пределом пропорциональности. Предел   пропорциональности   ( )   –   максимальное   напряжение,   до   которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением. При   напряжениях   выше   предела   пропорциональности   происходит   равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения). Каждому   напряжению   соответствует   остаточное   удлинение,   которое   получаем проведением из соответствующей точки диаграммы растяжения линии параллельной оа. Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают  условный предел упругости,  – максимальное напряжение, до которого образец   получает   только   упругую   деформацию.   Считают   напряжение,   при   котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%). В обозначении указывается значение остаточной деформации  . Предел   текучести  пластическим деформациям. характеризует   сопротивление   материала   небольшим В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести. Физический   предел   текучести  –   это   напряжение,   при   котором   происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов. Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести. Условный   предел   текучести  –   это   напряжение   вызывающее   остаточную деформацию  Физический   или   условный   предел   текучести   являются   важными   расчетными характеристиками   материала.   Действующие   в   детали   напряжения   должны   быть   ниже предела текучести. Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности. В   точке  в  в   наиболее   слабом   месте   начинает   образовываться   шейка   –   сильное местное утомление образца. Предел   прочности  –  напряжение,   соответствующее   максимальной   нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву). Образование   шейки   характерно   для   пластичных   материалов,   которые   имеют диаграмму растяжения с максимумом. Предел   прочности   характеризует   прочность   как   сопротивления   значительной равномерной пластичной деформации. За точкой В, вследствие развития шейки, нагрузка падает и в точке С происходит разрушение. Истинное   сопротивление   разрушению  –   это   максимальное   напряжение,   которое выдерживает материал в момент, предшествующий разрушению образца (рис.). Истинное сопротивление разрушению значительно больше предела прочности, так как оно определяется относительно конечной площади поперечного сечения образца. Рисунок 8 Истинная диаграмма растяжения   ­ конечная площадь поперечного сечения образца. Истинные   напряжения   определяют   как   отношение   нагрузки   к   площади поперечного сечения в данный момент времени. При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности. Пластичность   способность   материала   к   пластической   деформации,   т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности. ­ Это свойство используют при обработке металлов давлением. Характеристики: - относительное удлинение  ,  где – начальная и конечная длина образца. и  –   абсолютное   удлинение   образца,   определяется   измерением   образца   после разрыва. - относительное сужение ,  где ­ начальная площадь поперечного сечения, ­площадь поперечного сечения в шейке после разрыва. Относительное   сужение   более   точно   характеризует   пластичность   и   служит технологической характеристикой при листовой штамповке. Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. Твердость  –   это   сопротивление   материала   проникновению   в   его   поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы. Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла),   либо   по   величине   отпечатка   от   вдавливания   (методы   Бринелля,   Виккерса, микротвердости). Во   всех   случаях   происходит   пластическая   деформация   материала.   Чем   больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Наибольшее   распространение   получили   методы   Бринелля,   Роквелла,   Виккерса   и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рисунке 16.  Рисунок 9 Схемы определения твердости:  а  – по Бринеллю; б  – по Роквеллу;  в  – по Виккерсу Твердость по Бринеллю. Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.9а) В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.  Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкосновения со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавливает шарик в испытываемый   образец.   На   поверхности   металла   образуется   отпечаток.   Чем   больше отпечаток, тем металл мягче. За   меру   твердости   НВ   принимают   отношение   нагрузки   к   площади   поверхности отпечатка диаметром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рисунок 9). Нагрузка   Р,   в   зависимости   от   диаметра   шарика   и   измеряемой   твердости:   для , термически обработанной стали и чугуна –  алюминия и других очень мягких металлов –  , литой бронзы и латуни –  . Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с. Полученный   отпечаток   измеряется   в   двух   направлениях   при   помощи   лупы Бринелля. Твердость   определяется   как   отношение   приложенной   нагрузки  Р   к   сферической поверхности отпечатка F: Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс;  = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P /  , НВ 5/ 250 /30 – 80. Метод Роквелла. Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рисунок 9б) Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6   мм),   для   более   твердых   материалов   –   конус   алмазный.   В   образец   вдавливают алмазный конус с углом при вершине 1200   или стальной закаленный шарик диаметром 1,6 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная величина единицы твердости   соответствует   осевому   перемещению   наконечника   на   0,002   мм.   Значение твердости определяют по глубине отпечатка h и отсчитывают по циферблату индикатора, установленному на приборе. Во всех случаях предварительная нагрузка Р0 равна 100 Н. При   испытании   металлов   с   высокой   твердостью   применяют   алмазный   конус   и общую нагрузку Р=Р0+Р1=1500 Н. Твердость отсчитывают по шкале "С" и обозначают HRC. Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 Н, то твердость отсчитывается по шкале "В" и обозначается HRB. При испытании очень твердых или тонких изделий используют алмазный конус и общую   нагрузку   600   Н.   Твердость   отсчитывается   по   шкале   "А"   и   обозначается  HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: НRC 50 ­ твердость 50 по шкале "С". Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка   (10   кгс)   для   плотного   соприкосновения   наконечника   с   образцом.   Затем прикладывается   основная   нагрузка   Р1,   в   течение   некоторого   времени   действует   общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой . В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (таблица 1) Таблица1 ­ Шкалы для определения твердости по Роквеллу шкала обозначение индентор нагрузка, кг Р0 Р1 Р область применения А В С HRA HRB HRC Алмазный конус, < 1200 при вершине Стальной   закаленный шарик  Алмазный конус,  <  1200 при вершине 1,6 мм 10 50 60 Для   особо   твердых материалов 10 90 100 Для относительно мягких материалов 10 140 150 Для относительно  твердых материалов Метод Виккерса  При   определении   твердости   способом   Виккерса   в   качестве   вдавливаемого   в материал   наконечника   используют   четырехгранную   алмазную   пирамиду   с   углом   при вершине 136°(рисунок 9в). При испытаниях применяют нагрузки от 50 до 1000 Н (5…100 кгс) (меньшие значения нагрузки для определения твердости тонких изделий и твердых, упрочненных   поверхностных   слоев   металла).   Числовое   значение   твердости   определяют так: замеряют длины обеих диагоналей  отпечатка после  снятия  нагрузки и с помощью микроскопа   и   по   полученному   среднему   арифметическому   значению   длины   диагонали находят в таблице соответствующее число твердости.  Пример обозначения твердости по Виккерсу ­ HV 500. Твердость   рассчитывается   как   отношение   приложенной   нагрузки   P   к   площади поверхности отпечатка F: Преимущество   данного   способа   в   том,   что   можно   измерять   твердость   любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода. Способ   микротвердости  –   для   определения   твердости   отдельных   структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс   Метод царапания. Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой.   При   нанесении   царапин   на   другие   материалы   и   сравнении   их   с   мерой   судят   о твердости материала. Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.   Динамический метод (по Шору) Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал. В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое. Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Является   энергетической   характеристикой   материала,   выражается   в   единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами. Также   вязкость   зависит   от   условий,   в   которых   работает   металл   (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения). С повышением температуры вязкость увеличивается.  Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением   температуры.   Хладоломкими   являются   железо,   вольфрам,   цинк   и   другие металлы,   имеющие   объемноцентрированную   кубическую   и   гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.