Общие подходы к повышению прочности

МАТЕРИАЛЫ

Металлы и сплавы на их основе

Общие свойства: - пластичность, - высокая электро- проводность (снижающаяся с ростом температуры и при введении примесей) - высокая теплопроводность

Черные (сплавы Fe-C): стали (%С) чугуны (%С)

Цветные (Al, Cu, Zn, Ni, и т.д.)

Сплавы: Дюрали (Al+Cu+Mg+Mn) латуни (Cu+Zn) Бронзы (Cu+различные элементы) и др.

Тугоплавкие (W, Ti, Ta, Mo, Nb)

Редкие и редкоземельные (Zr, Hf, Re, лантаноиды и др.)

Благородные (Au, Pt, Ag)

Радиоактивные (U, Pu, Cs и др.)

Неметаллические неорганические

Общие свойства: - тверость, хрупкость - низкая электро- проводность Оксидные (SiO₂, Al₂O₃, смешанные природные оксиды и др.).

 Керамика (спекаемые оксиды и силикаты)

 Вяжущие (цемент, бетон)

Клеи

Тугоплавкие (Карборунд SiC, AIIIBV (BN), бориды и др.)

Полупроводники Si, Ge, GaAs AIIBVI халькогениды ZnS, ZnSe, CdTe и др.) Рост электропроводности с увеличением температуры и при введении примесей

Пигменты (на основе TiO₂, ZnO и др.)

Неметаллические органические

Полимеры (высокомолекулярные соединения) макромолекулы -(R-R)- n n до 1 000 000~

полиэтилен -(-СН₂ -СН₂ -)- n полипропилен -(-СН₂ -СН-)- n | CH₃ поливинилхлорид -(-СН 2 -СHCl-)- n полиэтилентерефталат фторполимеры полиуретаны и др.

Материалы на основе полимеров.

Пластмассы (полимер-связующее + наполнитель + пластификаторы + стабилизаторы +красители)

Резины

Вулканизированные каучуки с пространственной сеткой связей -R-S-R- Лакокрасочные материалы

Композиционные (матрица - основа + наполнитель)

Сочетание свойств двух классов материалов

На основе неорганических соединений (металлокерамика, стеклокерамика) На основе органических соединений (химволокно, смолы)

Наноматериалы (размер частиц вещества или наполнителя в матрице < ~ 100 нм) Сильная зависимость свойств вещества от размера частиц за счет большой доли поверхностного слоя с измененными свойствами)

Материаловедение наука, устанавливающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и устанавливающая закономерности их изменения при тепловых, химических, механических, электрических и других воздействиях. Макроскопические свойства Микроскопические свойства - физико-механические - Химический состав (прочность, твердость, пластичность) - Тип химической связи - электрические (электропроводность, - Кристалличность/аморфность диэлектрическая проницаемость) - Тип кристаллической решетки - магнитные (магнитомягкие и магнитотвердые материалы) - Дефекты кристаллической решетки - теплофизические - Полиморфизм (теплопроводность, теплоемкость) - оптические - Дисперсность (размер частиц, - химическая реакционная способность распределение частиц по размерам (коррозионная стойкость) - Пористость - органолептические Прогнозирование свойств материалов Методы производства и переработки Технология Физика, химия Разработка, усовершенствование и оптимизация материалов с заданными свойствами для конкретных применений

Окружающая среда Материал

Разрушительные воздействия: - механические - термические - химические - радиационные

 

Общие требования к материалам в зависимости от конкретных условий применения

1. Физико-механические свойства - прочность (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударопрочность), твердость, пластичность, износостойкость

2. Химическая (коррозионная) стойкость

3. Термостойкость

4. Устойчивость к воздействию электрических и магнитных полей, радиационная стойкость

5. Долговечность, стабильность сохранения свойств

Специфические требования к материалам в зависимости от конкретного назначения.

- Физико-механические свойства

- Термические свойства (температурный диапазон сохранения требуемых свойств, теплопроводность, теплоизолирующие свойства, коэффициент термического расширения)

- Электрические свойства (электропроводность, электрическое сопротивление, диэлектрическая проницаемость, напряжение пробоя)

- Магнитные свойства (магнитная проницаемость, магнитная коэрцитивная сила)

 - Оптические свойства (пропускание, поглощение, отражение, рассеяние или излучение электромагнитных колебания в заданных диапазонах длин волн)

 - Виброакустические свойства (способность к распространению или подавлению акустических колебаний)

 - Способность к преобразованию различных видов энергии (термо-, фото-, пьезо-, пироэлектрические; электро- и магнитострикционные и т.д.)

 

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 Прочность свойство материалов сопротивляться разрушению или пластической деформации под действием внешней нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение) Характеристика временное сопротивление (предел прочности при разрушении) в F/S (отношение величины прикладываемой нагрузки к площади сечения образцы) Упругая Пластическая Текучесть = l/l (относительное удлинение) деформация пр в т 0.05 Разрушение хрупкого материала Разрушение пластичного материала Твердость свойство материалов сопротивляться деформированию или разрушению при местном воздействии. Испытания вдавливание стандартного индентора и измерение характеристик отпечатка HB твердость по Бринеллю (индентор стальной шарик), HRC твердость по Роквеллу (индентор алмазный конус) Пластичность свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием внешней нагрузки или внутренних напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и размеры после прекращения этого влияния. Характеристика максимальное относительное удлинение перед разрушением

 

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА МАТЕРИАЛА НА ЕГО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

Чистый металл металлическая связь (ненасыщенная, образованная делокализованными электронами) высокая пластичность, низкая твердость Содержание примесей, образующих фазы с ковалентной связью (насыщенной, жестко соединяющей соседние атомы) интерметаллиды, карбиды, оксиды и т.д. Рост твердости и хрупкости, снижение пластичности Прочность Твердость, хрупкость Пластичность Максимальная прочность – оптимальное соотношение между твердостью и пластичностью

 

Общие подходы к повышению прочности

1. Оптимизация состава

 2. Обеспечение химической и структурной однородности

 3. Снижение размера повышение однородности зерен (кристаллитов)

 4. Формирование дополнительных мелкодисперсных фаз, заполняющих межкристаллитные пустоты

 5. Модифицирование поверхностного слоя - химико-термическая обработка цементация насыщение поверхностного слоя углеродом и карбидами; азотирование нитроцементация, цианирование одновременное насыщение C и N, диффузионная металлизация насыщение металлами (алитирование, хромирование и т. д.) с образованием высокотвердых (повышение твердости без роста хрупкости в объеме) и высокопрочных фаз

6. Разработка композиционных материалов (сочетание вязкости и пластичности полимерной матрицы и высокой твердости наполнителя)