1 Лекція 1 Розділ 1 Характеристика фізичних властивостей та методів дослідження матеріалів. Дослідження поверхні металів. Тема 1.1 Предмет та завдання курсу в комплексі споріднених наук. Класифікація фізичних властивостей матеріалів і методів їх дослідження. Оглавление Література................................................................................................................................... 1 1 Фізичні властивості металів .................................................................................................. 1 2 Механічні властивості ............................................................................................................ 3 3 Термічні характеристики матеріалів .................................................................................... 8 4 Електричні та магнітні властивості .................................................................................... 11 5 Предмет курсу та місце курсу серед інших дисциплін ..................................................... 12 6 Питання для самоконтролю ................................................................................................. 13 Література 1. Физические методы исследования металлов и сплавов: Учеб. пособие / Л.Г. Журавлев, В.И. Филатов. - Челябинск: ЮУрГУ, 2004. – 157 с. https://raillook.com/materialy/mashinostroenie-tehnicheskiepredmetu/materialovedenie/2004-fizicheskie-metody-issledovaniya-metallov-i-splavovuchebnoe-posobie-l-g-zhuravlev-v-i-filatov/ 2. Канарчук В.Є., Шевченко В.І. Навчальний посібник: Методи дослідження металів. – К.: НТК, 2002. – 98 с. 3. [Електронний ресурс]. Методы изучения свойств металлов и сплавов Режим доступу: https://ukrintech.com.ua/materialovedenie-metalloobrabotka/103-glava-3metody-izucheniya-svojstv-metallov-i-splavov/239-glava-3-2-mekhanicheskie-svojstvamaterialov-i-metody-ikh-opredeleniya/ 4. [Електронний ресурс]. Физические свойства металлов Режим доступу: https://ukrintech.com.ua/materialovedenie-metalloobrabotka/103-glava-3metody-izucheniya-svojstv-metallov-i-splavov/240-glava-3-3-fizicheskie-svojstvametallov/ 1 Фізичні властивості металів Метали — група речовин, що має металевий зв'язок – іонну кристалічну гратку та електрони, що вільно рухаються між нею. Метали відрізняються певними властивостями, такими, як висока тепло- й електропровідність, позитивний температурний коефіцієнт опору, висока пластичність і металевий блиск. До цієї групи елементів відносять також сплави та інтерметаліди. 1 2 Сплав — однорідна суміш декількох хімічних елементів, переважна більшість з яких є металами. Основною фазою сплаву є твердий розчин легуючих елементів у металі, що є основою сплаву. Компонентами сплаву називають хімічні елементи або хімічні сполуки, що входять до складу сплаву. Залежно від хімічної природи елементів, розміру їх іонів і типу кристалічної гратки, компоненти можуть розчинятися один в одному (обмежено або необмежено), можуть бути нерозчинними один в одному, або утворювати нові хімічні сполуки. Фаза - окрема однорідна частина сплаву, відокремлена від інших частин поверхнею розділу, при переході через яку хімічний склад і властивості змінюються стрибком. Як правило, в рідкому стані компоненти сплавів добре розчиняються одна в одній. При зниженні температури і кристалізації з рідкої фази виділяються тверді фази, які можуть бути твердими розчинами або чистими компонентами. До фазових перетворень відносять: • • • • • кристалізацію - перехід рідкої фази в тверду; конденсацію - перехід газоподібної фази в тверду; перетворення структури в твердому стані; зміну щільності дислокацій і розміру зерен деформованих матеріалів, перехід феромагнетик-парамагнетик, тощо. при нагріванні Будь-яке фазове перетворення можна розглядати як результат розвитку двох процесів: утворення зародків нових фаз і зростання цих зародків. Інтерметалід або впорядкований розчин — хімічна сполука з двох або більше металів, які утворюють кристалічну гратку. До фізичних властивостей металів відносяться: • • • • • механічні, теплові, електричні, магнітні та оптичні властивості. Фізичні властивості вивчають, спостерігаючи, як поводиться зразок при зміні температури, тиску або об'єму, в умовах механічної напруги, електричних і магнітних полів, температурних градієнтів, а також під впливом різних випромінювань – електромагнітного (радіо-, ІЧ діапазонів, світла, УФ, рентгенівських променів, γ-випромінювань), акустичних хвиль, пучків 2 3 електронів, нейтронів і тому подібне. В матеріалознавстві вивчають, як змінюються фізичні властивості сплавів порівняно з чистими компонентами. 2 Механічні властивості Механічні властивості матеріалів характеризують можливість їх використання у виробах при дії зовнішніх навантажень. Типовими показниками механічних властивостей матеріалів, що вказують в довідниках зі сталей та сплавів (дивись, наприклад http://www.splavkharkov.com/main.php), є наступні: в - межа міцності, [МПа] Т - межа пропорційності (межа плинності для залишкової деформації), [МПа] - умовна межа плинності, [МПа] σ 0,2. 5 - відносне подовження при розриві, [ % ] - відносне звуження, [ % ] KCU - ударна в'язкість, [ кДж / м2] HB - твердість за Бринеллем , [МПа] E - модуль пружності, [МПа] Ці величини істотно залежать від форми, розмірів і стану поверхні зразків, а також режимів випробувань (швидкості навантаження, температури, впливу навколишніх середовищ та інших факторів). Міцність - властивість матеріалів чинити опір руйнуванню, а також необоротної зміни форми під дією зовнішніх навантажень. Вона зумовлена силами взаємодії атомних часток, що складають матеріал. Про міцність говорять, оцінюючи напруження в досліджуваному виробі (1.1) = F А, де F - сила, що діє на виріб, а А - площа перерізу, на яку діє сила, рис.1.1. Якщо при розтягуванні зразка сила зовнішнього впливу на пару атомів перевершує силу їх тяжіння, то атоми будуть віддалятися один від одного. Напруга, що виникає в матеріалі та відповідає силі міжатомного тяжіння, відповідає теоретичної міцності. При виникненні в матеріалі локальної напруги, більшої за теоретичну міцність, відбудеться розрив матеріалу по цій ділянці. У результаті утворюється тріщина. Зростання тріщин триває, поки в результаті їх злиття одна з тріщин не пошириться на весь переріз зразка і не відбудеться його руйнування. 3 4 Рис. 1.1 - Нормальне напруження σ Деформація - зміна взаємного положення частинок тіла, що пов'язана з їх переміщенням один щодо одного. Деформація являє собою результат зміни міжатомних відстаней і перегрупування блоків атомів. Зазвичай деформація супроводжується зміною величин міжатомних сил, мірою якого є пружне механічне напруження . Пружною деформацією називають таку деформацію, яка зникає після зняття навантаження. Якщо деформація не зникає (є незворотною) – її називають пластичною. Відносне видовження ε= l/l0 ·100% – це відношення зміни лінійного розміру тіла l= l- l0 на його початкову довжину l0 і вимірюється у відсотках. Реальні матеріали мають технічну міцність, основні характеристики якої зручно розглянути за допомогою діаграми розтягування зразка з пластичного матеріалу, один з варіантів якої зображений на рис. 1.2. 4 Добавлено примечание ([NB1]): Рисунок з вебсторінки https://uk.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B0%D0%BF %D1%80%D1%83%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%BD %D1%8F 5 Рис. 1.2 - Залежність нормального напруження в зразку від його відносного видовження при розтягу Межа пропорційності ПЦ (зразок деформується пропорційно навантаженню) відповідає найбільшому навантаженню, при якому ще виконується закон Гука: ПЦ = E , (1.2) де E - модуль пружності [E]=МПа, - відносне видовження. Межа пружності σпр - напруга, при якій вже не виконується закон Гука, але при знятті навантаження деформації зникають – виріб приймає початкові розміри. Межа пружності обмежує область пружних деформацій матеріалу. Межа плинності σт - напруга, що відповідає нижньому положенню площадки плинності на діаграмі для матеріалів, руйнування яких передує помітна пластична деформація. Тобто метал деформується практично без збільшення навантаження. Якщо матеріали не мають плинність, вони характеризуються умовною межею плинності - напругою, при якому залишкова деформація досягає значення, встановленого технічними умовами. Зазвичай залишкова деформація не перевищує 0,2%. Звідси і позначення: σ 0,2. Межа плинності є основною характеристикою міцності пластичних матеріалів. Межа міцності σв – відношення максимального навантаження, що передувало руйнуванню зразка, до площі поперечного перерізу зразка до досліду. Тобто, це напруження, що відповідає максимальному (в момент руйнування зразка) значенню навантаження. Межа міцності - основна характеристика механічних властивостей крихких матеріалів, тобто матеріалів, які руйнуються при малих пластичних деформаціях. Всі 4-ри характеристики вимірюються в Па. 5 6 Правила визначення характеристик технічної міцності матеріалів при розтягу, стиску, вигині, крученні та інших видах напруженого стану встановлені державними стандартами. f1 (а) L1 Lo=5do (б) fo do (в) Рис. 1.3 – Визначення відносного видовження та відносного звуження при розриві (а), (б)-(в) – початковий стан виробу Для визначення відносного подовження при розриві 5 визначають довжину L1, попередньо з’єднавши обидві половинки розірваного зразка, як на рис. 1.3 (а). Розрахункові точки для виміру обирають на незруйнованому зразку такими, що дорівнюють 5-м діаметрам зразка, рис. 1.3 (б)-(в). Тоді відносне подовження при розриві 5 заготовки визначається, як (1.3) 5 = ( L1 − L0 ) L0 100% , де задана розрахункова довжина L0 = 5d0 , L1 - виміряна довжина після розтягу, d0 - діаметр стержня випробовуваної заготовки перед випробуванням на розтяг. Відносним звуженням називається відношення зменшення поперечного перерізу зразка після розриву до первісної площі поперечного перерізу рис. 1.3, виражене у відсотках: = ( f1 − f 0 ) f 0 100% , (1.4) 6 7 де f0 - поперечний переріз зразка до розриву в мм, f1 - поперечний переріз зразка в місці розриву в мм; Ударною в'язкістю називається здатність металу чинити опір ударному динамічному навантаженню або здатність матеріалу витримувати ударні навантаження. Ударну в’язкість, що позначається як КС, визначають як питому роботу руйнування призматичного зразка з концентратором (надрізом, рис. 1.4) посередині одним ударом маятникового копра, рис. 1.5: KC = A F0 , (1.5) де A - робота руйнування, F0 - площа поперечного перерізу зразка в місці концентратора. За типом надрізів (концентраторів) до КС додають ще одну букву, рис. 1.4. а — U-образний надріз (KCU); б — V-образний надріз (KСV); в — надріз з тріщиною (KСТ) Рис. 1.4 – Типи надрізів для визначення ударної в'язкості Для випробувань на удар виготовляють спеціальні зразки з надрізом, рис.1.4, які потім руйнують на маятниковому копрі. Загальний запас енергії маятника витрачається на руйнування зразка і на підйом маятника після його руйнування. Тому, якщо із загального запасу енергії маятника видалити частину, яка припадає на підйом (зліт) після руйнування зразка, отримаємо роботу руйнування зразка A = mg ( h1 − h2 ) = mgl ( cos − cos ) , (1.6) де m - маса маятника, h1 - висота підйому центру маси маятника до удару; h2 - висота маятника після удару; l - довжина маятника, м; α, β - кути маятника відповідно до руйнування зразка і після. 7 8 Рис. 1.5 – Схема ударного випробування зразків на маятниковому копрі Для визначення ударної в'язкості при нормальній температурі (ДСТУ EN 10045-1:2006) передбачено 20 типорозмірів зразків квадратного і прямокутного перетину. Найчастіше застосовують зразки квадратного перетину 10х10 мм довжиною 55 мм, рис. 1.5, з концентратором (надрізані з одного боку посередині довжини на глибину 2 мм). Зразок 4 стандартної форми укладають горизонтально в спеціальний шаблон маятникового копра, рис.1.5, який забезпечує установку надрізу зразка строго в середині між опорами 3. Маятник 2 копра закріплюється у вихідному верхньому положенні на висоті h1 . Потім маятник вільно падає під дією власної ваги, завдає удару по зразку 4 з боку, протилежному від надрізу. В результаті удару зразок згинається і ламається, а маятник після руйнування зразка продовжує рухатися далі та піднімається на висоту h2 . Твердість - це здатність матеріалу чинити опір при вдавленні в нього іншого, більш твердого тіла - індентора. В залежності від методу, яким визначається твердість, вона позначається HR (метод Роквелла), HB (метод Бринелля), HV (метод Віккерса) і вимірюється в МПа в системі СІ або у внесистемних одиницях кг/мм². 3 Термічні характеристики матеріалів Параметри, що відображають зміну властивостей матеріалів залежно від їх температури, є одними з найважливіших характеристик матеріалів. Властивість матеріалів стабільно зберігати комплекс експлуатаційних характеристик при низьких або високих температурах впливає на працездатність машин і устаткування в екстремальних умовах експлуатації. При здійсненні технологічних процесів (лиття, кування, зварювання та ін.) 8 9 важливе значення має температурна зміна деформаційно-міцністних характеристик матеріалів. До технологічних температурних характеристик відносять жаростійкість, температуру спалаху, жароміцність, холодноламкість, червоностійкість. Жаростійкість (або жаротривкість) є матеріал, механічні параметри параметри якого зберігаються, або незначно змінюються при високих температурах. Матеріал, що має таку властивість успішно протидіє корозійному впливу газів при високій температурі. В якості характеристики жаростійкості легкоплавких матеріалів використовують температуру розм'якшення, при якому виріб нагрівається зі встановленою швидкістю, під дією постійного згинального моменту деформується на допустиму величину. Для легкоплавких кристалічних матеріалів (подібних воскам) характеристикою жаростійкості служить температура плавлення. Температура спалаху - температура, при якій пари рідини утворюють з повітрям суміш, що спалахує при контакті з джерелом запалювання (наприклад, електричний розряд). Якщо продовжити нагрівання після спалаху, відбувається займання матеріалу, коли до нього підносять відкрите полум'я. Температуру, при якій матеріал загорається й після видалення зовнішнього джерела запалювання, продовжує горіти не менше 5 с, вважають температурою займання. Жароміцність - властивість матеріалів тривалий час чинити опір деформуванню та руйнуванню при високих температурах, які мають місце, наприклад, в двигунах внутрішнього згоряння. Холодноламкість - зростання крихкості матеріалів при зниженні температури. При низьких температурах (в техніці - від 0 до - 50 ° С) знижується пластичність і в'язкість матеріалів, підвищується схильність до крихкого руйнування. При температурах нижче температури в'язкого руйнування наступає перехід до крихкого стану і спостерігається різке зниження ударної в'язкості матеріалу. Про його придатності до експлуатації при низькій температурі судять по температурному запасу в'язкості, рівному різниці температури експлуатації і Т50. Червоностійкість - здатність стали зберігати при нагріві до температур червоного каління високу твердість і зносостійкість, отримані в результаті термічної обробки. До фізичних температурних характеристик відносять температурний коефіцієнт лінійного розширення матеріалів l , l = 1 К , температурний коефіцієнт об’ємного розширення матеріалів V , V = 1 К , теплопровідність æ, [æ ] = Вт ( м К ) , питому теплоємність с, c = Дж ( кг К ) , температуропровідність а, а = м 2 с . 9 10 Температурне розширення матеріалів реєструють по зміні розмірів і форми зразка при зміні температури. Кількісно теплове розширення твердих матеріалів характеризують або температурним коефіцієнтом лінійного розширення ТКЛР 1 dl l0 dT де l0 - лінійний розмір зразка при температурі Т0 , l = (1.7) або температурним коефіцієнтом об’ємного розширення ТКОР 1 dV V0 dT де V0 - обєм зразка при температурі Т0 , V = (1.8) Під теплопровідністю æ розуміють перенесення енергії від більш нагрітих ділянок матеріалу до менш нагрітих. Ця величина обумовлює вирівнювання температури виробу (1.9) P 1 æ= , S grad T де P - потужність енергії, що переноситься вздовж осі Оx перпендикулярно поверхні S , grad T = dT dx - градієнт температури. Питома теплоємність с - фізична величина, яка визначається кількістю теплоти Q , яку потрібно надати тілу для зміни його температури на один градус. (1.10) 1 dQ с= m dT Інколи в розрахунках використовують молярну теплоємність – яка позначається великою буквою С – 1 dQ , dT c = Дж ( моль К ) , С= (1.11) де - кількість молів в зразку. Температуропровідність а - фізична величина, що характеризує швидкість зміни (вирівнювання) температури речовини у нерівноважних теплових процесах. Чисельно дорівнює частці від ділення коефіцієнта теплопровідності тіла æ на добуток його питомої теплоємності c та густини . 10 11 а= æ ( c ) (1.12) Температуропровідність і теплопровідність є найважливіші параметрів речовин та матеріалів, оскільки вони описують процес переносу теплоти та зміну температури в них. 4 Електричні та магнітні властивості Електропровідність - властивість матеріалів проводити електричний струм, обумовлене наявністю в них рухомих заряджених частинок - носіїв струму. (1.13) = j E = 1 ( Ом м ) = См м, де См − Сіменс де j = I S - густина струму, I - сила струму в дроті, S - площа перерізу дроту (1.14) =1 , = RS l (1.15) де - електричний питомий опір матеріалу, R - опір, l - довжина дроту, R = Ом . Природу електропровідності твердих матеріалів пояснює зонна теорія, згідно з якою енергетичний спектр електронів складається зі зон дозволених і заборонених енергій. У нормальному стані електрони можуть мати лише певні значення енергії, тобто займати дозволені енергетичні рівні (валентну зону). Порожні або частково заповнені більш високі енергетичні рівні утворюють зону провідності. Електрони, набуваючи додаткову енергію, наприклад, при нагріванні матеріалів, можуть переходити в зону провідності. Якщо валентна зона і зона провідності перекриваються, то при незначному порушенні електрони будуть переміщатися від одних атомів до інших. Матеріали такого типу - провідники - мають високу електропровідність. Електропровідність діелектриків дуже мала, оскільки перехід помітного числа електронів в зону провідності - випадкове явище, обумовлене, наприклад, дефектами структури. Електричний опір R - властивість матеріалів, як провідників, протидіяти електричному струму, зумовлена розсіянням енергії електронів на іонах решітки. Речовини, вміщені в зовнішнє магнітне поле, намагнічуються. Намагнічування пов'язано з наявністю магнітних моментів у часток речовини. Мірою намагнічування матеріалів слугує величина – намагніченість J , що дорівнює сумарному магнітному моменту всіх атомів ( i 1, N ) Pi в одиничному об'ємі матеріалу N (1.16) J = Pi V i =1 11 12 J = А м де V - об'єм матеріалу, N - кількість атомів матеріалу. Величина, що характеризує зв'язок намагніченості J із зовнішнім магнітним полем H , називається магнітною сприйнятливістю J = H , (1.17) Магнітна сприйнятливість є безрозмірною величиною. За магнітними властивостями (у залежності від знаку і значення магнітної сприйнятливості χ) матеріали ділять на: • діамагнетик χ<0; • парамагнетики 0< χ<1 ; • феромагнетики χ>>1. Діамагнетизм - властивість матеріалів намагнічуватись в зовнішньому магнітному полі в напрямку, протилежному полю. Діамагнетизм притаманний усім речовинам. Діамагнетики мають негативне значення магнітної сприйнятливості. У зовнішньому магнітному полі вони намагнічуються проти поля. Під час відсутності зовнішнього магнітного поля діамагнетик є немагнітним. Парамагнетики мають позитивну магнітною сприйнятливість. Вони слабко намагнічуються в напрямі поля, а за відсутності поля - немагнітні. Феромагнетики характеризуються великим значенням магнітної сприйнятливості і її залежністю від напруженості поля і температури. Зберігають намагнічуваність навіть після зняття зовнішнього магнітного поля. Антиферомагнетики - матеріали, намагніченість яких за відсутності магнітного поля дорівнює нулю. Магнітна сприйнятливість, як правило, істотно залежить від температури: у парамагнетиків - зменшується при нагріванні, у феромагнетиків - збільшується стрибком, досягаючи максимуму поблизу точки Кюрі. У точці Кюрі зникає власна намагніченість феромагнітних матеріалів і вони набувають властивості звичайних парамагнетиків. Внутрішнє поле в речовині вимірюється магнітною індукцією B і характеризується магнітною проникністю B = 0 H , де H - зовнішнє магнітне поле, а 0 = 4 10 (1.18) −7 Гн м . 5 Предмет курсу та місце курсу серед інших дисциплін Метою курсу "Фізичні властивості та методи дослідження матеріалів" є надання знань з фізики процесів та явищ, які визначають властивості матеріалів та сучасних фізичних методів їх дослідження. 12 13 У курсі будуть розглянуті наступні методи дослідження металів: 1. металографічний аналіз; 2. термічний аналіз; 3. різні фізико-хімічні методи. Деякі фізико-хімічні методи дослідження розглядались у курсах – "Хімія" (1 курс), – "Фізична хімія" (2 курс). Механічні випробування матеріалів розглядаються у курсах: – "Механічні властивості та конструкційна міцність матеріалів" (3 курс), – "Структурна інженерія" (5 курс). Дифракційні методи дослідження матеріалів розглядаються у курсах: – "Методи рентгенографії" –"Теорія тепло- та массопереносу" –"Зондові нанотехнології модифікації поверхні" (магістри кафедри ФМ) та ін. Ультразвукові дослідження матеріалів розглядається у курсі – "Методи дослідження конденсованих середовищ", Резонансні дослідження матеріалів розглядаються у курсах – "Спеціальні фізичні методи дослідження матеріалів" (3 курс) – "Фізика та моделювання надтонких взаємодій у твердих тілах" (5 курс) та ін. Фізичні властивості, що розглядаються у даному курсі, будуть докладніше вивчатися у наступних курсах: – "Фізика конденсованого стану матеріалів" (3 курс), – "Електронна теорія твердого тіла" (4 курс) та ін.. 6 Питання для самоконтролю 1. Які речовини називають металами? 2. Які речовини називають сплавами? 3. Які речовини називають інтерметалідами? 4. Які властивості металів та сплавів відносять до фізичних? 5. Що розуміють під фазою речовин? 6. Які є фазові перетворення в природі? 7. Яку фізичну величину називають межею міцності? В яких одиницях в системі Сі вона вимірюється? 8. Що називають межею пропорційності? 9. Що називають умовною межею плинності? 10. Яку фізичну величину називають відносним подовженням при розриві? В яких одиницях в системі Сі вона вимірюється? 13 14 11. Яку фізичну величину називають відносним звуженням? В яких одиницях в системі Сі вона вимірюється? 12. Яку фізичну величину називають ударною в'язкістю? В яких одиницях в системі Сі вона вимірюється? 13. Який пристрій використовують для виміру ударної в’язкості? 14. Як розшифровуються позначення ударної в’язкості KCU, KCV, KCT? 15. Що називають модулем пружності? 16. Яку фізичну величину називають твердістю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 17. Які характеристики відносять до технологічних температурних характеристик? 18. Які характеристики відносять до фізичних температурних характеристик? 19. Яку фізичну величину називають температурним коефіцієнтом лінійного розширення, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 20. Яку фізичну величину називають температурним коефіцієнтом об’ємного розширення, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 21. Яку фізичну величину називають теплопровідністю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 22. Яку фізичну величину називають питомою теплоємністю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 23. Яку фізичну величину називають температуропровідністю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 24. Яку фізичну величину називають електропровідністю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 25. Яку фізичну величину називають твердістю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 26. Яку фізичну величину називають електричним питомим опором, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 27. Яку фізичну величину називають електричним опором, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 28. Яку фізичну величину називають намагніченостю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 29. Яку фізичну величину називають магнітною сприйнятливістю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 30. Яку фізичну величину називають магнітною проникністю, як вона позначається і в яких одиницях системи СІ вимірюється? 31. На які типи діляться всі речовини за магнітними властивостями? 14
