Болтон У. - Конструкционные материалы. Металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты
Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты: Карманный справочник. /Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2004. — 320 с, ил. (Серия «Карманный справочник»)
ISBN 5-94120-046-3
В справочнике представлен весь спектр материалов, применяемых в машиностроении и электротехнике: железо, алюминий, медь, магний, никель, титан, сплавы на их основе, полимерные, керамические и композитные материалы. Приведены сведения об их химическом составе, физических, термических и механических свойствах. Дается система кодирования материалов по американскому и британскому стандартам. Рассматриваются способы обработки и методы испытаний представленных материалов.
Справочник снабжен удобным предметным указателем и предназначен для работников и студентов соответствующих технических специальностей для использования в повседневной работе.
Предисловие
Цель этой книги состоит в том, чтобы дать инженерам и студентам дешевый и краткий, карманного формата, справочник по материалам, применяемым в технике, таким, как сплавы на железной основе, цветные металлы, полимеры, керамика и композитные материалы. Такой она была задумана в первом издании, выдержана во втором и настоящем третьем издании. Во втором издании текст был расширен, в него были включены дополнительные главы. Третье издание отличается от второго включением Главы 19 «Выбор процессов изготовления». Книга может быть полезной, в частности, студентам, занятым проектной работой. Очевидно, что ни книга этого размера, ни большего формата и с более подробным изложением не может быть совершенно исчерпывающей, настолько широк диапазон проблем. Поэтому выбор материалов ограничен большей частью теми, с которыми обычно сталкиваются специалисты в технике, и в основном рассматриваются те их свойства, которые относятся к применению. Справочник не претендует на то, чтобы заменить большие подробные спецификации, имеющиеся в национальных и международных группах стандартов.
В помощь читателю для информации о свойствах материалов в Главе 1 приводится краткое описание необходимых терминов, с которыми он столкнется в этой книге. В Главе 2 излагаются основные методы испытаний материалов. В Приложении даны переводные коэффициенты и таблицы для различных единиц размерностей, применяемых в описании свойств материалов. Главы 3... 11 посвящены свойствам следующих основных технических материалов: сплавы на железной основе, алюминий, медь, магний, никель, титан и сплавы на их основе, полимеры, керамика и композитные материалы. Как правило, главы разбиваются на пять следующих разделов: обсуждение материалов, детали кодирования систем и составов, информация о тепловой обработке, свойства материалов и типичные области их применения. Коды и данные приведены для двух стандартов — американского и британского. Для помощи читателю в выборе материала в Главах 12... 16 разделы сгруппированы по следующим его свойствам: электрическим, магнитным, механическим, тепловым, сопротивлению коррозии и износу. В Главе 18 обсуждаются характеристики процессов, которые можно применять для получения различных форм изделий. Глава 19 посвящена выбору процессов.
Кроме того, в Приложении даны переводные коэффициенты и таблицы различных единиц размерности, применяемых в описании свойств материалов, а также предметный указатель. Книга имеет отношение, по существу, к свойствам материалов, и данные научного характера приводятся очень кратко. Для получения дополнительной информации читателю рекомендуем воспользоваться следующими учебниками:
Anderson J.C., Leaver K.D., Rawlings R.D. and Alexander J.M. (1985). Materials Science (Van Nostrand, 3rd Ed.).
Ashby M. and Jones R.H. Engineering Materials, vol.1 and vol.2 (Butterworth-Heinemann, 1996, 1998).
Bolton W. A998). Engineering Materials Technology (Butterworth-Heinemann, 3rd Ed.). Mills N.N. A986). Plastics: Microstructure, Properties and Applications (Arnold).
Smith W.F. A981). Structure and Properties of Engineering Alloys (McGraw-Hill).
Для обсуждения оптимальных процедур, с целью обдуманного выбора материалов, отсылаем читателя к следующим книгам:
Ashby M.F. A999). Materials Selection in Mechanical Design (Butterworth-Heinemann).
Bolton W. A998). Engineering Materials Technology (Butterworth-Heinemann, 3rd Ed.).
Crane F.A.A. and Charles J.A. A997). Selection and Use of Engineering Materials (Butterworths-Heinemann, 3rd Ed.).
Farag M.M. A989). Selection of Materials and Manufacturing Processes for Engineering Design (Prentice Hall).
Для обсуждения выбора процессов автор рекомендует книгу Swift K.G. and Booker J.D. Process Selection (Agnold 1997).
Данные, использованные в этой книге, получены из обширного ряда источников. Основными из них были: Публикации Британского института стандартов, Публикации Американского общества производителей металлических материалов, Торговые ассоциации.
Интерпретация и размещение данных, тем не менее, выполнены автором. Для ознакомления с полными деталями стандартов читателю советуют обратиться к соответствующим изданиям стандартов Классификационной группы.
У. Болтон
Ссылки на источники
Выдержки из британских стандартов воспроизведены с разрешения Британского института стандартов (BSI). Комплект копий документов был получен почтой из Британского института стандартов, продажа (BSI Sales), Linford Wood, Milton Keynes, BucksMK16 6LE.
Гл ава первая
Терминология
Определения терминов, характеризующих свойства материалов, используемых в технике, приведены в алфавитном порядке.
Азотирование. Химико-термическая обработка стали, которая заключается в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали атомарным азотом при нагреве стали до 500...650°С в атмосфере аммиака с распадом его на атомарный азот и водород. В результате Аз. сред неуглерод истых легированных сталей образуются нитриды легирующих элементов и стали приобретают особо высокую твердость, износостойкость и увеличивается предел их выносливости не менее чем на 30%. Аз. углеродистых сталей приводит к повышению коррозионной стойкости.
Аморфное состояние вещества. Одно из состояний твердого вещества (другое — кристаллическое), в котором центральные атомы твердого вещества и ближайшие к ним будут располагаться в определенном порядке, но по мере удаления от них этот порядок нарушается и расположение атомов становится случайным, т.е. присутствует ближний порядок расположения атомов и отсутствует дальний. Кроме того, вещество в А. с. не имеет определенной точки плавления/отвердевания при нагревании/остывании. Примерами служат стекло, канифоль.
Анодирование. Электрохимический процесс образования оксидных пленок или покрытий в соответствующем растворе, при котором металл служит анодом. Поверхностная оксидная пленка покрывает металл и составляет с ним одно целое. Ан. повышает такие свойства металлов, как коррозионную стойкость, сопротивление истиранию, твердость, изменяет отражательные и излучательные характеристики. Улучшается внешний вид подвергшегося Ан. металла.
Атактическая структура. Это полимерная структура (полимер), у которой расположение боковых групп молекулярной цепочки, таких как С#3, относительно плоскости основной цепи нерегулярно, хаотично. Атактический полимер не способен кристаллизоваться, является аморфным.
Аустенизация. Процесс, происходящий тогда, когда железный сплав нагрет до температуры, при которой его структура превращается в аустенит.
Аустенит. Принято обозначать А или у. Твердый раствор внедрения углерода в Fey, имеющий гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку с высокой растворимостью углерода в FeY, достигающей 2.14% из-за достаточных размеров межатомных пор размещения углерода в решетке, составляющих сферы радиусами от 0.41 атомного радиуса железа.
Бейнит. Структура стали, образующаяся в результате промежуточного превращения аустенита. Состоит из высокодисперсной смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. В стали с бейнитной структурой имеется остаточный аустенит. Эта структура тверже, чем полученная при отжиге, но мягче, чем мартенсит.
Вязкость разрушения. Критерий трещиностойкости для наиболее жесткого нагружения — плоской деформации нагружением — при достижении критического значения перехода стабильной трещины в нестабильную и обозначаемый Kjc. Он показывает значение напряжения вблизи вершины трещины, имеющей тупой раскрывающийся вид в момент разрушения, и связывает приложенное среднее напряжение с критической длиной трещины. Единица измерения К1с — МПам1/2. Критерий Kic позволяет определить безопасный размер трещины при известном рабочем напряжении и характеризует сопротивление развитию вязкой трещины.
Гомополимер. Полимер, макромолекулы которого построены из одинаковых по химическому строению многочисленных элементарных звеньев молекул (мономеров).
График S/N. График амплитуды напряжения S, деленной на число циклов N испытаний на усталость. Амплитуда напряжения — это половина алгебраической разности между максимальным и минимальным напряжениями, при которых испытывался материал. (См. Испытание на усталость в Гл. 2.)
График напряжение—деформация. График напряжение— деформация обычного растяжения, применяемый в технике напряжений (см. Напряжение) и технике деформаций (см. Деформация). На Рис. 1.5 показан пример формы одного такого графика для металла, подобного стали. (См. Испытание на растяжение в Гл. 2.)
Деформационное упрочнение, наклеп. При холодном пластическом деформировании изменяются физические свойства наклепанного металла и тем сильнее, чем больше степень деформации. В результате Д. у. увеличивается твердость, повышается электросопротивление, но понижаются пластичность, ударная вязкость и коррозионностойкость.
Глава вторая
Методы испытаний
Рассмотрим несколько обычных методов испытаний, применяемых для определения свойств материалов, используемых в технике.
Испытание на изгиб
Изгиб — это результат испытания образца, когда в образце возникают растягивающие и сжимающие напряжения. На изгиб испытываются материалы с малой пластичностью: чугуны, стали инструментальные, стали после поверхностного упрочнения, керамики.
Используют 2 схемы нагружения сосредоточенной силой. Образец помещают на 2 опоры — нагрузка дается по центру. 2-я схема — двумя симметричными силами (испытание на чистый изгиб), каждая составляет 1/2 общей нагрузки симметрично на полусумме расстояний от центра до каждой опоры.
Характеристиками, которые определяют, служат предел прочности при изгибе и угол изгиба (см. Рис. 1.1).
Испытание на ползучесть
Для металлов, исключая очень мягкие, подобные свинцу, при нормальных температурах испытаниями на ползучесть пренебрегают. Но они становятся важными при повышенных температурах. По этой причине испытания на ползучесть проводят в основном при высоких температурах. На Рис. 2.1 схематически показан такой вид испытания. Температура образца поддерживается постоянной с помощью управляющего устройства, имеющего термодатчик, присоединенный к образцу. Удлинение образца измеряется в зависимости от времени. Испытания могут продолжаться довольно долго. Для полимерных материалов ползучесть, как правило, весьма значительна и при нормальных температурах.
Результаты испытания на ползучесть могут быть представлены графиком деформации в зависимости от времени при определенном напряжении до разрыва образца в какой-то момент времени (см. Разрывное напряжение, Гл. 1) или, в частности для полимерных материалов, изохронным графиком напряжение — деформация (см. Модуль ползучести, Гл. 1), или характеристикой модуля ползучести (см. Гл. 1).
...