Материаловедение и технология материалов. технология конструкционных материалов

Обрабатываемость

Это  легкость, с которой данный материал может быть разрезан, что позволяет удалять лишнее при более низких затратах. Хорошая обрабатываемость связана с:

• Высокой скоростью резки.
• Низким энергопотреблением.
• Хорошей отделкой поверхности.
• Удалением материала с умеренной силой.
• Средней степенью истирания инструмента (более длительный срок службы инструмента).
• Формированием мелких чипсов.

Обрабатываемость зависит от следующих факторов:

• Химический состав материала заготовки.
• Микроструктура.
• Механические свойства.
• Физические свойства.
• Условия резки.
• Свойства хладагента.
• Подача и глубина резки.
• Вид и форма режущего инструмента.
• Размер и форма разреза.
• Коэффициент трения между стружкой и материалом инструмента.
• Материал инструмента.
• Тип используемой машины.
• Тип операции обработки.

Для оценки обрабатываемости основные факторы, которые будут выбраны, зависят от типа операции и производственных требований.

При оценке обрабатываемости могут учитываться следующие критерии:

• Соотношение сил резки.
• Срок службы инструмента между двумя последовательными шлифовальными станками.
• Качество отделки поверхности.
• Форма и размер чипсов.
• Температура чипсов.
• Скорость удаления металла.
• Скорость резки при стандартной силе.
• Усилие резки и энергопотребление.

Следующие факторы увеличивают обрабатываемость:

• Маленькие неискаженные зерна.
• Однородная микроструктура.
• Пластинчатая структура в низко- и среднеуглеродистых сталях.
• Меньшая твердость, меньшая пластичность и меньшая прочность при разрыве.
• Холодная обработка низкоуглеродистой стали.
• Операции отжига, нормализации и отпуска.
• Добавление небольших количеств серы, свинца, фосфора и марганца.

Обрабатываемость может быть улучшена путем добавления небольшого процента определенных элементов, таких как свинец, селен, сера, марганец и т. д.

Индекс обрабатываемости

Обрабатываемость различных металлов, подлежащих обработке, можно сравнивать с использованием индекса обрабатываемости каждого материала, который можно определить следующим образом:

Стандартная сталь имеет содержание углерода не более 0,13% и может быть сравнительно легко обработана; ее индекс обрабатываемости произвольно фиксируется как 100%.

Механические свойства.

При измерении механических свойств, тело, как правило, подвергается разрушению или необратимой деформации.

• Прочность – материал способен сопротивляться разрушению, когда на него воздействуют внешние силы.
• Упругость – материал способен принимать первоначальную форму, когда действие внешней нагрузки закончилось.
• Пластичность – материал способен изменять свои размеры и форму когда действие внешней нагрузки закончилось. Новые размеры и форма сохраняются, материал не разрушается.
• Вязкость – материал способен оказывать сопротивление, когда на него воздействуют резко возрастающие нагрузки.
• Твердость – материал не позволяет проникать в себя другому материалу, который является более твердым.
• Износостойкость – материал способен сохранять свою поверхность неизменной, если на него воздействовать силой трения.
• Хрупкость – материал способен разрушаться под воздействием внешней силы (пластическая деформация отсутствует).

Новинки строительного рынка

Строительная индустрия в наше время развивается стремительными и очень бурными темпами. Ежегодно на этом рынке появляется ряд совершенно новых стройматериалов. Давайте вкратце познакомимся с самыми интересными из этих новинок.

Пеностекло – материал, который был изобретен в США еще в 40-е годы. Однако на нашем рынке он появился лишь в последние десятилетия. Его производят при очень высоких температурах (до 800-900 градусов). Гранулированное пеностекло успешно используют для утепления стен, фундамента, а также для теплоизоляции трубопроводов. Ведь оно может полностью повторять любую конфигурацию труб. Пожалуй, это основное свойство строительного материала. Кроме того, пеностекло обладает очень высокой прочностью на сжатие.

Цветной кирпич – стройматериал, появление которого на ура восприняли все архитекторы и дизайнеры. Ведь он позволяет реализовать самые смелые и самые креативные идеи. К тому же такой кирпич способен надолго сохранять свой изначальный внешний вид. Его уже широко применяют для облицовки многоэтажных зданий во многих городах.

Еще одна новинка последних лет – кортеновская сталь. В строительной практике она появилась совсем недавно – в начале 2000-х. Листы легированной стали отличаются высокой прочностью и необычным внешним видом. Они широко используются не только в промышленном, но и в жилом строительстве. Кроме того, кортеновская сталь нашла свое применение и в уличном городском искусстве.

Испытания механических свойств металлов

Растворение может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимых соединениях, то есть химическим путем. Некоторые могут разжижаться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Железо способно образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав. Для получения картины изменения свойств с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. Предварительно нагретому веществу дают остывать и каждый час замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, по оси ординат — температуру. Если в системе при охлаждении не изменяются технологические свойства металлов, сопровождающиеся выделением теплоты, то снижение температуры происходит постепенно. Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в остывании системы, вызванная фазовыми переходами. С помощью термического анализа по кривым охлаждения возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов.

Газообразное топливо

Автомобильные эксплуатационные материалы включают в себя также и газообразное топливо. По физическому состоянию они делятся на две категории:

• сжатые;
• сжиженные.

Если углеводороды характеризуются критическими температурами, ниже обычного уровня, то газ применяют в сжатом виде. Если показатель выше, то применяются составы в сжиженном состоянии. Основными требованиями, выдвигаемыми к газообразному топливу, являются:

• хорошее смесеобразование;
• высокий показатель калорийности;
• не должно приводить к коррозионному износу;
• минимальное количество отложений в системе;
• сохранение свойств при хранении и транспортировке;
• низкая стоимость изготовления и перевозки.

Для производства сжиженного газа применяется пропан или бутан. Их легко перевести в жидкое состояние. Для их обозначения применяется маркировка СНГ. Такие материалы хранят под давлением 1,6 МПа. Для автомобилей производятся смеси из пропана и бутана, которые можно применять в летний или зимний период.

В состав СНГ добавляют одоранты, которые наделяют смесь сильным запахом. Это позволяет обнаружить их утечку.

Автомобильные эксплуатационные материалы включают в себя также и сжатые газы. Их основными компонентами являются метан, окись углерода, водород. Их получают из газов разного происхождения. В маркировке такие составы имеют буквы СПГ. Метана в такой смеси содержится от 40 до 82%. Без охлаждения перевести в жидкое состояние этот газ нельзя.

При использовании топлива СПГ получается заметно снизить грузоподъемность транспортного средства. Пробег автомобиля на полной заправке в этом случае будет в 2 раза меньше, чем на бензине. Так как метан обладает высокой детонационной стойкостью, двигатели форсируют по степени сжатия. СПГ безопаснее бензина по показателю воспламеняемости. Но при этом пуск двигателя при низких температурах затруднен.

Технологические свойства

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.

Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением.

Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях:

1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства

Общая характеристика металлов

Все химические элементы делятся на металлы и неметаллы. В основе такого деления лежит различие в строении атомов элементов.

Неметаллы в таблице Периодической системы Менделеева занимают правый верхний угол (желтые ячейки на рисунке внизу):

Все остальные, не желтые ячейки плюс водород и гелий — занимают металлы. Таким образом, неметаллы и металлы в Периодической таблице разделены условной диагональю бор-астат.

Химические элементы, расположенные в непосредственной близости от этой диагонали (алюминий, титан, галлий, германий, сурьма, теллур, астат), имеют двойственные свойства, реагируя в некоторых случаях, как металлы, а в других — как неметаллы.

Закономерности расположения элементов в периодах (слева-направо):

• Радиус атома — уменьшается;
• Заряд ядра — увеличивается;
• Электроотрицательность — увеличивается;
• Кол-во электронов на внешнем слое — увеличивается;
• Прочность связи внешних электронов с ядром атома — увеличивается;
• Способность отдавать электроны — уменьшается.

Исходя из вышеуказанных закономерностей, нетрудно догадаться, что металлы находятся в начале каждого периода (слева), а неметаллы — в конце (справа).

Атомы металлов:

• как правило, на внешнем электронном слое имеют 1-3 электрона (4 электрона у Ge, Sn, Pb; 5 — у Sb, Bi; 6 — у Po);
• имеют больший размер атома и меньший заряд его ядра, по сравнению с неметаллами своего периода;
• имеют высокопрочную связь внешних электронов с ядром атома;
• легко расстаются с валентными электронами, превращаясь в катионы.

При н.у. все металлы (за исключением ртути) являются твердыми веществами, обладающими прочной кристаллической решеткой, образованной за счет металлических связей. Между узлами кристаллической решетки находятся свободные электроны, которые могут переносить теплоту и проводить электрический ток. Поэтому, в отличие от неметаллов, металлы хорошо проводят тепло и обладают высокой электропроводностью.

Физические свойства металлов:

• твердые вещества (кроме ртути);
• обладают характерным металлическим блеском;
• обладают высокой электро- и теплопроводностью;
• обладают высокими механическими качествами: упругостью, пластичностью, прочностью.

Самыми мягкими металлами являются калий и натрий (их можно резать ножом), самый твердый металл — хром (царапает стекло).

Самый легкоплавкий металл ртуть (-38,9°C), самый тугоплавкий — вольфрам (3380°C).

Самая низкая плотность у лития (0,59 г/см3), самая высокая — у осмия (22,48 г/см3).

Еще одной характерной особенностью металлов является их способность намагничиваться:

• ферромагнетики обладают высокой способностью намагничиваться даже под действием незначительного магнитного поля (железо, никель);
• парамагнетики проявляются слабую способность к намагничиванию (алюминий, хром);
• диамагнетики не намагничиваются (олово, медь).

Технологические свойства стали

Сталь считается одним из самых распространенных металлов, ее технологические свойства зависят от химического состава, различные примеси, входящие в нее, могут улучшить или ухудшить данные характеристики.

• Увеличение в составе стали углерода значительно повышает ее прокаливаемость, в тоже время она понижает ее пригодность к ковке. Для выполнения этой операции, а также прокатки, содержание углерода не должно превышать 1,4%.
• Добавление в сталь марганца существенно снижает теплопроводность материала, что снижает ее способность к свариванию. В тоже время, при осуществлении правильного равномерного нагрева (не слишком быстрого) такие стали хорошо поддаются ковке.
• Применение никеля способно улучшить пластичные качества сплава, поэтому он способствует ковке. Но следует учитывать тот факт, что тот же никель образует устойчивую окалину в процессе нагрева. При ковке она не разрушается, поэтому может быть вкована в металл, что существенно снизит качество изделия.
• Повышение содержания хрома приводит к увеличению прочности, поэтому ковка и пригодность к прокату у таких сплавов удовлетворительна, существует большая вероятность образования трещин.
• Излишек молибдена приводит к снижению теплопроводности, что делает сталь очень чувствительной к температурному режиму обработки, нагревать и охлаждать ее следует в строгом соблюдении с технологией. Для ковки данных металлов необходимо применять более мощное оборудование.
• А вот применение ванадия, наоборот, улучшает ковкость и делает сталь более устойчивой к перегреву.

К негативным примесям, существенно влияющим на технологические характеристики, можно отнести серу и фосфор. Излишек данных веществ может привести к красноломкости и хладноломкости соответственно. То есть сталь  с избытком серы становится хрупкой при нагреве, а если в ней присутствует большое количество фосфора, то она будет ломаться при отрицательных температурах. Именно поэтому при выплавке стали многие усилия направлены на снижение данных примесей в металле, но, к сожалению, избавиться от них полностью не выходит.

Как видите, химические составляющие стали оказывают огромное значение на ее технологические свойства, поэтому при выборе метода обработки должен выполняться тщательный анализ состава сплава, в противном случае могут возникнуть проблемы, как в производстве, так и при эксплуатации изделия.

Формируемость

Формируемость – способность металлов приобретать различные формы.

Различные факторы, которые в значительной степени определяют текучесть или пластичность материала:

• Металлическая конструкция.
• Размер зерна.
• Горячая и холодная обработка.
• Легирующие элементы.
• Смягчающие термообработки (отжиг и нормализация).

Небольшой размер зерна рекомендуется для мелкой вытяжки металлов, тогда как для тяжелой вытяжки рекомендуется относительно крупное зерно.

Горячая и холодная обработка вызывает искажение зерна. Обычно обработанные холодом кристаллы более искажены, чем обработанные горячим способом. Поэтому обработанные холодом металлы обычно менее пластичны, чем обработанные горячим способом.

Большинство легирующих элементов в чистом металле снижают его пластичность, например, пластичность стали уменьшается с увеличением количества углерода в железе.

При смягчающих термообработках, таких как отжиг и нормализация, пластичность металла восстанавливается. Деформированный и искаженный кристалл реформируется, и, следовательно, сила, необходимая для того, чтобы вызвать проскальзывание, уменьшается.

Цели материаловедения

Основы материаловедения обязательны для изучения будущими инженерами. Ведь основной целью включения этой дисциплин в учебный курс является обучение студентов технических специальностей делать правильный выбор материала для сконструированных изделий, чтобы продлить сроки их эксплуатации.

Достижение поставленной цели поможет будущим инженерам решить следующие задачи:

• Правильно оценивать технические свойства того или иного материала, анализируя условия изготовления изделия и срок его эксплуатации.
• Иметь правильно сформированные научные представления о реальных возможностях улучшения каких-либо свойств металла или сплава путем изменения его структуры.
• Знать обо всех способах упрочнения материалов, которые могут обеспечить долговечность и работоспособность инструментов и изделий.
• Иметь современные знания об основных группах используемых материалов, свойствах этих групп и об области применения.