2018-03-09
448
К показателям структуры можно отнести количество самостоятельных частей (компонент) сложных машин, агрегатов, технических комплексов; число стандартных элементов в электрической цепи (трансформаторов, электродвигателей, нагревательных устройств, конденсаторов и т.п.).
Известно, что качество любого материала зависит от его химического состава и внутренней структуры, формирующейся в естественных условиях или в процессе технологической обработки. В результате этого получаются материалы с вполне определенными свойствами, совокупность которых и есть их качество. Объективно существует логическая цепочка: химический состав – технология – структура – свойства материала. Содержательно эту фактическую взаимосвязь изучают материаловедение и технология материалов. Однако для оценки качества материалов как промышленной продукции для производства техники материаловедческие сведения обрабатываются в соответствующие квалиметрические показатели уровня качества оцениваемого материала.
Показатели состава и структуры материалов, сырья, пищевой продукции и т.п. выражают количество в них примесных элементов и структурные состояния этих видов продукции. Показателями состава материала являются: процентное содержание химических элементов в стали (например, количество легирующих элементов и их процентное содержание в конкретной стали); процентное содержание серы и золы в коксе; концентрация различных примесей в кислотах, в щелочах, в минеральной воде и в других средах; процентное содержание сахара, соли и других веществ в пищевых продуктах и др.
Вообще говоря, вся совокупность свойств любой продукции определяется ее внутренним строением, в свою очередь зависящим от состава. Это обуславливает взаимосвязь свойств между собой и дает возможность по структуре судить о многих свойствах, а по одним свойствам оценивать и другие. Так, например. Механические свойства углеродных сталей можно узнать по их химическому составу и структурам, а при необходимости – по магнитным свойствам, т.е. не используя разрушающие методы определения и контроля потребительских свойств.
Структура материала имеет свои иерархические уровни: макроструктура, микроструктура, субструктура, мезоструктура, межатомная (например, кристаллическая). Комплекс потребительских свойств материала предопределяется структурами всех уровней. Однако установлено, что отдельные свойства и их единичные показатели обусловлены преимущественно структурой того или иного уровня. Это обстоятельство вызывает необходимость знать количественные зависимости характеристик свойств от показателей соответствующих структур.
Состав и структура материала как основа различных его свойств позволяют составить модель и установить математическую зависимость показателей потребительских свойств от показателей структуры и состава. Приведем несколько примеров обусловленности показателей прочности сталей от их состава, а потом и от их структур.
На рис. 9.2 отражены изменения следующих свойств: σв – предел прочности, т.е. наибольшее напряжение, которое возникает в образце в процессе его разрыва; σ0,2 – условный предел текучести; δ – относительное удлинение; ψ – относительное сужение; НВ – твердость по Бринелю; KCV – ударная вязкость остро надрезанного образца. Структура сталей: от феррита и феррита + перлита до перлита (при 0,8% С) и перлита + цементита вторичного (при С > 0,8%).
Рис. 9.2 – Влияние количества углерода С на механические свойства стали
Известна зависимость, например, твердости закаленной стали (структура мартенсита – пересыщенного твердого раствора углерода в железе) от количества в ней углерода. На рис. 9.3 приведен график этой зависимости, где HRC – твердость по Роквеллу (шкала С).
Рис. 9.3 – Влияние содержания углерода на твердость мартенсита стали
Упрочнение при образовании структуры твердого раствора может быть определено по формуле, полученной Моттом и Набарро для прела текучести:
σт = G × ɛ 2 × C,
где G – модель упругости на сдвиг;
ɛ - параметр, зависящий от различия атомов растворенного компонента r и растворителя r 0 (ɛ = [ r- r 0]/ r 0);
С – атомная концентрация растворенного компонента.
Известны зависимости практически всех потребительских свойств углеродистых и многих других сталей от содержания в них углерода. Это позволяет, зная состав стали по углероду, указать с достаточной точностью численные значения показателей потребительских свойств, что во многих случаях является важным приемом в процессе определения показателя качества (или уровня качества) исследуемой стали по сравнению с другими.
Рассмотрим теперь пример того, как связаны структуры со свойствами сталей. На рис. 9.4 показано соответствие механических свойств углеродистой стали с ее структурами после закалки и отпуска, осуществленного при различных температурах. Из графика видно, что для любой конкретной стали по ее структуре с определенными количественными характеристиками также легко найти значения механических свойств. Эти приемом пользуются часто.
Рис. 9.4 –Зависимость механических свойств от микроструктуры закаленной и отпущенной стали
Установлено, что весьма эффективным является упрочнение металлических материалов в результате измельчения их зеренной микроструктуры. Зависимость предела текучести σт от диаметра зерна d определяется формулой Холла – Петча
σт = σ0 + kd 
,
где σ0 – сопротивление микродеформациям (внутреннее трение) кристаллической решетки;
k – коэффициент прочности блокировки дислокаций (искажений) в кристаллической решетке примесными атомами;
d – диаметр зерна.
Параметры σ0 и k – постоянные величины для данного металлического материала.
Усталостная прочность металлических материалов σR также зависит от размеров его зеренной микроструктуры и рассчитывается по формуле
σR = σR0 + K R d ,
где σR0 и K R – постоянные величины, зависящие от природы материала;
d – диаметр зерна.
Размер зерна в сталях оценивают в натуральных величинах или в баллах.
Оценку влияния внутрикристаллической структуры на предел текучести сплава можно рассчитывать по формуле
σт = σ0 + αGb 
,
σ0 – напряжение сдвига до упрочнения (после отжига);
b – вектор Бюргерса;
α – коэффициент, зависящий от природы металла, его кристаллической решетки и микроструктуры;
G – модуль сдвига;
p – плотность дислокаций (субмикродефектов кристаллической решетки) в пределах от 106 до 1013 см-2.
В приведенных выше примерах показана методика количественной оценки механических свойств сталей по их составу и структурным характеристикам. Аналогичные методики используются при оценке качества других материалов.
На примере сталей показано, как по показателям состава и структуры можно определять потребительские и иные свойства, если известна количественная зависимость между ними. А в дальнейшем, используя методы квалиметрии, становится возможным определение показателя качества оцениваемого материала по отношению к принятому за базовый. Но если известны потребительские свойства сравниваемых (сопоставимых) материалов, то при определении уровня качества следует проводить оценку качества непосредственно по показателям проявляемых материалом свойств.
Итак, какие показатели свойств следует отнести к показателям назначения, определяют при классификации показателей свойств оцениваемой продукции по их функциональной значимости для потребителя. Поэтому для группы показателей назначения нет строгой регламентации.
Контрольные вопросы
1. Поясните сущность термина классификация.
2. Перечислите виды классификаторов применяемых а квалиметрии.
3. Что характеризуют показатели функциональной и технической эффективности?
4. Что характеризуют конструктивные показатели качества изделий?
5. Что характеризуют показатели точности параметров изделий?
6. Поясните назначение качественныех показателей состава и структуры продукции.
