Травин О.В., Новые конструкционные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

(образован в 1953 году)

__________________________________________________________

Кафедра «Пищевые машины»

Дистанционное Пищ.маш.6.22.2703-2712.очн.

обучение Пищ.маш.6.22.2703-2712.зчн.плн.

Пищ.маш.6.22.2703-2712.зчн.скр.

Пищ.маш.6.22.2703-2712.вчр.

Пищ.маш.6.22.2703-2712.дст.

О.В. Травин

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Учебно-практическое пособие для студентов

технологических специальностей

2703-2712 всех форм обучения

www.msta.ru

Москва – 2004 г.

УДК 669.22

T 65

Ó Травин О.В., Новые конструкционные материалы. Учебно-практическое

пособие. – М., МГУТУ, 2004

В данном учебно-практическом пособии доктора технических наук, проф.

Травина О.В. в кратком и систематическом виде изложены вопросы, связанные

со структурой и свойствами ряда классов новых конструкционных материалов

(высокопрочных сталей, аморфных металлических сплавов, сплавов на

титановой основе, различных видов пластмасс). Указанная дисциплина

является частью курса Материаловедения, поэтому изложение отмеченных

выше вопросов базируется на общих представлениях об атомно-

кристаллической структуре и понятиях фундаментальных физико-

механических свойств конструкционных материалов. Во всех разделах

изложение вопросов иллюстрируется примерами использования материалов в

пищевой промышленности. После каждой темы даны вопросы и тесты,

позволяющие контролировать степень усвоения материала.

Пособие предназначено для студентов технологических специальностей

2703-2712 всех форм обучения

Автор: д.т.н., проф. Травин Олег Владимирович

Рецензенты: Доцент Физического факультета МГУ, кандидат физико-

механических наук Ильичева Е.Н.;

Ведущий научный сотрудник ИМФ ФГУП (ЦНИИЧМ им. И.П.

Бардина), к.т.н. Александрова Н.М.

Редактор: Свешникова Н.И.

ISBN

109004, Москва, Земляной вал, 73

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………..………….5

Тема 1. Структура и свойства материалов……………………………….…... 5

1.1. Структура материалов…………………………………….…………..….5

1.2. Основные характеристики свойств материалов…………………...……7

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………..…………9

Тесты по теме………………………………………………………………...9

Тема 2. Железо и сплавы на его основе……………………………………....10

2.1. Диаграмма состояний системы железо-углерод………………………10

2.2. Превращения, происходящие в аустените

при его нагреве и охлаждении………………………………………….11

2.3. Классификация сплавов системы Fe–C по структуре………………...11

Вопросы для самоконтроля по теме………………………………………14

Тесты по теме……………………………………………………………....14

Тема 3. Конструкционные стали……………………………………………..15

3.1. Конструкционные углеродистые стали……………………………….15

3.2. Легированные конструкционные стали………………………………16

3.3. Высокопрочные легированные стали…………………………………18

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………………...19

Тесты по теме………………………………………………………………20

Тема 4. Коррозионностойкие стали………………………………………….20

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………………...25

Тест по теме…………………………………………………………...…...25

Тема 5. Сплавы на основе цветных металлов………………………...…….25

5.1. Алюминий и сплавы на алюминиевой основе……………………….25

5.2. Титан и титановые сплавы…………………………………………….27

5.3. Сплавы на медной основе………………………………………….….29

Вопросы для самоконтроля по теме………………………………….….31

Тесты по теме……………………………………………………………...31

Тема 6. Новые классы конструкционных

материалов на металлической основе………………………………32

6.1. Аморфные металлические сплавы…………………………………….32

6.2. Композиционные материалы…………………………………………..34

6.3. Конструкционные металлокерамики………………………………….34

Вопросы для самоконтроля по теме………………………………….…..35

Тесты по теме……………………………………………………………...35

Тема 7. Пластические массы и неметаллические материалы…..………….36

7.1. Пластические массы……………………………………………………36

7.2. Важнейшие пластмассы, используемые

в пищевой промышленности………………………………………….37

7.3. Резины……………………………………………………………….….40

7.4. Стекло…………………………………………………………………...41

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………………..43

Тесты по теме……………………………………………………………...43

Тема 8. Экологические требования,

предъявляемые к конструкционным материалам………………...44

8.1. Источники загрязнения пищевых

продуктов металлическими элементами……………………………44

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………….47

Тесты по теме…………………………………………………………….47

Решение тренировочных заданий…………………………………………..48

Перечень лабораторных работ……………………………………………...52

Правильные ответы на тесты по темам…………………………………….52

Тесты по дисциплине………………………………………………………..52

Список рекомендуемой литературы………………………………………..54

Введение

Дисциплина «Новые конструкционные материалы» является частью более

широкого курса «Материаловедения».

Материаловедением называют область знаний, в которой излагаются

закономерности, связывающие состав и структуру материалов с их свойствами,

а также с изменением свойств материалов в условиях эксплуатации.

Отличительной характеристикой пособия является то, что в нем отражены

особенности использования материалов в различных отраслях пищевой

промышленности.

Для понимания связей между структурной и свойствами, прежде всего,

необходимо ознакомиться с основными характеристиками структуры и свойств.

Тема 1. Структура и свойства материалов

1.1. Структура материалов

Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По

этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.

Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих

их элементарных частиц (атомов или молекул) хаотично, т.е. неупорядоченно.

К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.

Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е.

образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве,

образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими

решетками.

Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного

материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной

ячейкой. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1)

симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными

числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.

Периоды кристаллических решеток измеряются в нанометрах (10

-9

метра,

краткое обозначение нм), либо в ангстремах (10

-10

метра, обозначается Å, 1

нм

10 Å).

Если бы атомы располагались только в узлах кристаллических ячеек, то

разные вещества различались бы только величинами углов и периодов ячеек.

Но в ряде кристаллических ячеек атомы расположены не только в узлах (местах

пересечения осей), но также и в других частях объёма ячейки, например, в его

центре или в центрах граней. Тогда первый тип решетки называется объемно-

центрированной, а второй – гранецентрированной решеткой.

Подавляющее большинство металлов имеет объемно-центрированные

решетки, гранецентрированные кубические решетки, либо гексагональные

плотноупакованные. Краткие обозначения этих типов решеток ОЦК, ГПУ и

ГЦК, соответственно.

Координационным числом (Z) называется число атомов, находящихся на

наиболее близких и одинаковых расстояниях от произвольно выбранного

любого атома в решетке. Для ОЦК решеток Z = 8, для ГЦК и ГПУ – 12.

Базисом решетки называется количество атомов в одной элементарной

ячейке. Для ОЦК решеток базис равен 2, для ГЦК – 4, для ГПУ – 6.

Коэффициентом компактности решетки (ŋ) называется отношение объёма,

занимаемого сферическими атомами (Va) ко всему объёму элементарной

ячейки V, т.е. ŋ = Va/V. Для ОЦК решёток ŋ равно 0,68, для ГЦК и ГПУ – 0,74.

Массивные объёмы материала могут состоять как из одного кристалла

(монокристалла), так и из множества зёрен, образующих поликристаллы.

Отдельные зёрна в поликристалле отличаются друг от друга ориентировкой в

пространстве.

Свойства кристаллических материалов зависят и от размеров зёрен, и от их

ориентировки в образце. Если имеет место беспорядочно реализуемая

ориентировка зёрен, то говорят, что материал изотропен. Если же наблюдается

преимущественная ориентировка зёрен в каком либо направлении, то такая

преимущественная ориентировка называется текстурой, материал называется

текстурованным, а свойства являются анизотропными.

Для характеристики ориентации кристаллов применяется специальная

система обозначений расположения рёбер и граней в элементарной ячейке, а

также других направлений в ней, называемая системой индексов Миллера:

плоскости обозначаются индексами в круглых скобках (h, k, ℓ), где h, k и ℓ –

числа, связанные с ориентацией плоскостей. Направления в кристаллической

решетке обозначаются заглавными буквами в квадратных скобках [H, K, L]. В

кубических решетках грани куба обозначаются как (100), (010) и (001), а ребра

куба как [100], [010], [001], соответственно осям X, Y, Z.

Большинство свойств металлических материалов зависят от направлений в

кристаллических решётках. Такая зависимость называется анизотропией.

В одной и той же подгруппе элементов периодической системы

Менделеева металлы часто кристаллизуются с одним и тем же типом

кристаллической решётки. Но, имеется ряд металлов, которые меняют тип

решётки при переходе от одних внешних условий к другим (давление,

температура). К таким металлам относятся железо, титан, цирконий и др.

Указанный переход называется полиморфным превращением.

Большинство конструкционных материалов являются сплавами двух или

более химических элементов, называемых компонентами. В сплавах при

плавлении образуются однородные области их объёма, называемые фазами.

Фазы могут быть следующими: жидкие растворы, твёрдые растворы,

химические соединения.

Твёрдые растворы делятся на твёрдые растворы замещения и внедрения.

При образовании твёрдого раствора замещения часть узлов атомов

основного компонента (растворителя) замещается атомами другого элемента.

При этом тип кристаллической решётки растворителя остаётся неизменным.

Образуемые металлическими элементами твёрдые растворы замещения могут

быть неограниченными (во всей области концентраций от 0 до 100%) и

ограниченными определённой областью концентраций растворяемого

элемента. Неограниченные твёрдые растворы образуются в системах Ag - Au,

Ni - Cu, Mo - W, Mo - V и др.

Твёрдые растворы внедрения образуются при растворении в решетке

металлического растворителя неметаллических атомов относительно малого

размера (H, B, C, N, O). При этом атомы неметаллических элементов

располагаются между атомами решетки растворителя в специальных пустотах

решётки, называемых порами (октаэдрическими и тетраэдрическими).

При некоторых концентрациях атомов элементов, образующих сплав, если

имеет место сильное химическое взаимодействие атомов различных сортов,

образуются химические соединения.

К химическим соединениям относятся интерметаллиды (Ni

Aℓ, TiAℓ,

Mo и др.), карбиды – соединения металлов с углеродом (Fe

C, TiC, WC,

C и др.) нитриды – соединения с азотом (FeN, TiN, Fe

N) и др.

Выше, описывая кристаллическое строение материалов, мы негласно

подразумевали, что весь объём кристалла имеет идеальное строение. Однако,

следует учитывать, что в реальных кристаллах всегда существует большое

число мест, в которых идеальное строение кристалла нарушено. Такие места

носят название дефектов кристаллического строения. Обычно дефекты в

кристаллах характеризуют размерностью: 1) нульмерные (или точечные) –

вакансии, внедрённые атомы; 2) линейные – дислокации; 3) поверхностные –

дефекты упаковки плоскостей, двойники; 4) объёмные – поры. Кроме того,

существуют объёмные дефекты, многократно превышающие межатомные

расстояния (трещины, усадочные раковины и др.)

Тип указанных дефектов и их количество в материалах оказывают

значительное влияние на свойства материалов.

1.2. Основные характеристики свойств материалов

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физико-

механических свойств, необходимо рассмотреть основные требования,

предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой

конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и

быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении,

помимо общих требований, необходимо предусматривать их высокую

коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при

повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и

дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является

необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при

контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных

воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические

свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-математических свойств

конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих

длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации.

Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала

пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому

разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение

заданного времени).

В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе

характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те

или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются

предел текучести - s

0.2

, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором

остаточная пластическая деформация составляет 0,2%) и временное

сопротивление (предел прочности) - s

, MПа. Определяют эти характеристики

при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых,

построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми

деформации.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a

, МДж/м

), т.е.

по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К

1с

, МПа×мм

1/2

или,

другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность изделий зависит от условий их эксплуатации и

характеризуется такими параметрами, как сопротивление ползучести (под

нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при

циклических нагружениях) и сопротивлением износу (истиранию при трении

соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём

проведения специальных испытаний и является достаточно трудоёмкой

операцией и требует специального оборудования.

Наиболее простым методом определения механических свойств материала

является измерение твёрдости.

Твёрдостью называют сопротивление материала пластической деформации

при контактных нагрузках, для которых характерно резкое изменение

напряжений в поверхностном слое материала. Наиболее распространёнными

методами измерения твёрдости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

и измерения микротвёрдости.

По методу Бринелля в образец вдавливают стальной шарик и величину

твёрдости определяют по отношению приложенной нагрузки (P) к площади

отпечатка (S). Обозначается твёрдость как HB.

По методу Роквелла индентором может быть либо стальной шарик (шкала

В при нагрузке 1000 Н), либо алмазный конус (шкала А при нагрузке 1500 Н

(Ньютон) и С – при нагрузке 600 Н). Числом твёрдости является некоторая

условная величина, связанная с глубиной отпечатка при вдавливании

индентора. Эта величина определяется непосредственно на шкалах прибора. В

зависимости от используемого индентора и шкалы твёрдость обозначается как

HRB, HRC и HRA. Шарик используется для определения твёрдости

относительно мягких материалов, а алмазный конус - для твёрдых, причём

шкала A используется для измерения твёрдости тонколистовых материалов.

По методу Виккерса предлагает в качестве индентора алмазную

пирамидку. Твёрдость определяется по величине диагонали отпечатка и

обозначается HV. Этот метод чаще используют для определения твёрдости

тонких лент и покрытий.

Вопросы для самоконтроля по теме

1. Какими характеристиками описывают кристаллические решетки?

2. Что такое конструкционная прочность?

3. Какие требования к конструкционным материалам предъявляют в

пищевой промышленности?

4. Какие материалы относят к аморфным, а какие – к кристаллическим?

Тесты по теме 1

Тест 1. Одинаковы ли требования к конструкционным материалам в

любой отрасли техники и в пищевой промышленности?

1.1. да, одинаковы;

1.2. в пищевой промышленности обязательны требования высокой

коррозионной стойкости при контакте с пищевыми продуктами и

экологическая безопасность материалов;

1.3. в пищевой промышленности более высокие требования к

конструкционной прочности.

Тест 2. Назовите основные различия между ОЦК и ГЦК кристаллическими

решетками.

2.1. и те и другие решетки одинаковы – кубические;

2.2. отличие заключается в различном расположении атомов в

кристаллической решетке;

2.3. основное различие в базисах (числе атомов в ячейке: в ОЦК – 2, в ГЦК

- 4).

Тест 3. Приведите размерности основных дефектов кристаллических

решеток.

3.1. дефекты могут быть только точечные;

3.2. дефекты могут быть либо точечные, либо линейные;

3.3. дефекты могут быть точечными, линейными, плоскими и объемными.

Тест 4. Какие типы химических соединений характерны для

конструкционных материалов?

4.1. твердые растворы и интерметаллиды;

4.2. карбиды;

4.3. нитриды, интерметаллиды.

Тест 5. Каковы различия между прочностью и надежностью?

5.1. различий нет, обе характеристики входят в понятие конструктивной

прочности;

5.2. прочность характеризует сопротивление пластической деформации, а

надежность – хрупкому разрушению;

5.3. обе характеристики измеряются в мегапаскалях, но при разных

температурах.

Тема 2. Железо и сплавы на его основе

2.1. Диаграмма состояний системы железо-углерод

Чистое железо плавится при температуре 1539

С. При охлаждении

расплава ниже этих температур, железо затвердевает, формируя

кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая

сохраняется до 1392

С. В температурной области от 1392

C до 919

устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная

кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392

С обе формы кристаллов

железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же

картина наблюдается и при 911

С, устойчивой кристаллической решёткой

вновь становится решётка ОЦК.

Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже

отмечали ранее, называется полиморфным превращением.

Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и

тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе

атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).

Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном

располагаются в октаэдрических порах.

Радиус атома, который может быть размещён в октаэдрической поре

решётки ГЦК без её деформирования, составляет ~ 0,41 радиуса атома железа,

то есть примерно 0,52×10

-10

м. Октаэдрические поры в решётке ОЦК имеют

размеры равные 0,154 от размеров атомов железа, т.е. не превышают 0,2×10

-10

м,

в то время как радиус атома углерода равен 0,77×10

-10

м. Следовательно,

размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа

сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК

решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость

углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК –

железе.

Раствор углерода в ОЦК – железе называют ферритом. Различают α, b и d–

ферриты. Области их устойчивости представлены на диаграмме состояний

железо-углерод.

Раствор углерода в железе, имеющем ГЦК – решетку, называется

аустенитом. Линия предельной растворимости углерода в аустените при

различных температурах соответствует линии SE на диаграмме. При 1147

достигается максимальная растворимость углерода в аустените, равная 2,14 %.

Минимальная растворимость углерода в аустените наблюдается при

температуре 727

С и составляет 0,83%. При температуре ниже 727

С аустенит

неустойчив и о равновесной растворимости в нём углерода говорить не

приходится.

Из рассмотрения диаграммы железо-углерод следует, что температуры

полиморфных превращений железа заметно смещаются при растворении в нём

углерода.

При добавлении других компонентов также имеет место изменение

температур превращений. Но следует отметить, что в сплавах полиморфные и