Вопросы разработки материалов с заданными свойствами. Тема 1.1

1. Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ В УЧЕБНУЮ ДИСЦИПЛИНУ

• 1. Структура дисциплины
«Физическое материаловедение»:
• Дисциплина содержит курс лекций, состоящий из 3-х
модулей, всего – 48 час, т.е. 3 час/нед.
• Семинары – 16 час, т.е. 1 час/нед.
Лабораторные работы:
1. «Изучение общих закономерностей кристаллизации
металлов» (Полянский А.А.)
2. "Получение и свойства аморфных металлических
сплавов" (Иванников А.А..).
Начало лабораторных работ по графику.

2. Курсовой проект на тему:

«Выбор материалов для конструктивных элементов
новой техники».
Контрольные мероприятия:
• Коллоквиум – после каждого модуля – это 6
оценок.
• Защита лабораторных работ – это 2 оценки.
• Защита курсового проекта – 1 оценка.
Всего 9 оценок
• Если число баллов 36 и более – автомат (4 или 5)
• Экзамен – Итоговая оценка

3. Методическое обеспечение учебного процесса:

1.Учебник «Физическое материаловедение» - главы 6 (том2), 16, 17, 19, 20, 21 (том-5).
по каждому модулю имеются Учебные пособия:
• -М1: Физико-химические основы выбора и разработки
материалов (гл.16 и 17);
• -М2: Закономерности формирования структуры из
расплава (гл.6);
• -М3: Аморфные и нанокристаллические сплавы.
Стабилизация СФС (гл.19,20,21).
2.Описание лабораторных работ с вопросами входного
контроля – электронная версия доступна каждому
студенту.
3.Методичка к курсовому проекту.

4. Содержание лекций: Модуль 1. Физико-химические основы создания материалов с заданными свойствами.

• Тема 1.1. Вопросы разработки материалов с
заданными свойствами - 4 часа.
• Тема 1.2. Физико-химические основы создания
материалов с заданными свойствами - 6 часа.
• Тема 1.3. Высокочистые вещества и материалы 2 часа.
Коллоквиум

5. Модуль 2. Жидкое состояние, затвердевание и кристаллизация

• Тема 2.1. Расплавы металлов и сплавов, жидкое состояние - 8
часов.
• Тема 2.2. Затвердевание металлов, сплавов, соединений и
смесей компонентов - 8 часов.
• Тема 2.3. Адсорбция примесей и ее влияние на свойства
твердого тела - 6 часов.
Лабораторная работа №1
«Изучение общих закономерностей кристаллизации металлов»
Коллоквиум

6. Модуль 3. Структура и ее роль в обеспечении заданного комплекса свойств материалов.

• Тема 3.1. Структура и структурные уровни - 2 час.
• Тема 3.2. Аморфные металлические сплавы (АМС) - 6
часов.
• Тема 3.3. Наноструктурные материалы - 2 часа.
• Тема 3.4. Стабилизация структурно-фазового состояния
материалов - 7 часов.
Лабораторная работа 2.
• "Получение и свойства аморфных металлических сплавов»
Коллоквиум

7. Лекция 1-2

Тема 1.1. Вопросы разработки
материалов с заданными свойствами
Электронное общение:
[email protected]
(Указывать: группа-04 или 05, вариант, Ф.И.О.)

8. Основные этапы создания или выбора материала

• анализ параметров и режимов работы КЭ (изделия);
• анализ конструкции (устройства) и совместного
действие узлов;
• анализ возможной технологии изготовления изделия
(КЭ);
• изучение
существующих
или
применяемых
материалов в данной области техники;
• формулирование требований к материалу и его
свойствам;
• собственно выбор материала.
Взаимосвязи в разработках новой техники и
создании новых материалов.

9. Анализ параметров (режимов) работы изделия  

Анализ параметров (режимов) работы
изделия
Важны параметры, которые могут повлиять на СФС материала.
Воздействие во времени (стационарным, циклическим, импульснопериодическим) :
-физических полей (тепловое, радиационное, силовое,
электромагнитное, акустическое и др.);
-химически активной среды Например, действие полей и среды может
быть и т.п.
Использовать факторы интенсивности поля (давление, плотности тока,
потока энергии или мощности и др.) и время экспозиции
(воздействия) для определения флюенса, т.е. интегрального потока
поля.
Анализ воздействия сводится к оценке путем расчетов (или
экспериментов)
нарушений
кристаллической
структуры
(концентрации дефектов), точнее структурно-фазового состояния
материала
под действием совокупности эксплуатационных
факторов (q, , , , среда).

10. Радиационное воздействие

Естественное и искусственное радиационное воздействие на
материалы.
Ядерные реакторы: твэлы и их сборки (ТВС).
Реакцию деления 235U можно написать в виде:
235U + 1n X + X + а 1n + 200 МэВ
1
2
На материалы действуют нейтроны, осколки, вторичная радиация в
виде гамма излучения ( ), электронов ( ), протонов (p+) и альфачастиц ( ).
Реакция синтеза ядер дейтерия и трития:
4He + 1n + 17,58 МэВ
На материалы, окружающие плазму, будут действовать потоки ионов
He+, D+, T+, Me+, нейтронов, электронов, гамма-излучения и
нейтральных частиц (He0, D0, T0, Me0), образуемых за счет процессов
перезарядки ионов в плазме.
2D + 3T

11. Тепловое воздействие

• Тепловое воздействие на материалы можно
условно разделить на два вида: поверхностное,
в виде теплового потока (qs) от внешнего
источника тепла к поверхности, и объемное
энерговыделение от внутреннего источника
тепла (qv) по объему материала.
термические напряжения:
=F(t, T, , , Е, qs qv )

12. Силовое воздействие

Задание на самостоятельную работу:
изучить воздействие на материалы:
• -электрических полей;
• -магнитных полей;
Силовое воздействие
Силы, создающие в материале напряженное состояние:
-механические нагрузки (контактное давление, давление среды или
теплоносителя, вес конструкции, вибрационные колебания и др.),
-тепловые потоки (температурное расширение заневоленных КЭ,
градиенты температуры в толстых КЭ);
-изменения электромагнитных полей (пондероматорные силы);
- радиационное формоизменение (распухание, радиационный рост КЭ).

13. Воздействие окружающей среды

Химическое, электрохимическое или металлургическое
взаимодействие (растворение, образование соединений)
или их комбинация.
Процессы взаимодействия среды с материалами
• -коррозия
• -эрозии материала или кавитационный износ.
Результат воздействия окружающей среды:
-изменение геометрических размеры КЭ;
-изменение СФС и, следовательно, свойств материала.
Параметры воздействия:
-температура;
-давление;
- время контакта и временной режим (стационарность, периодичность)

14. Основные этапы создания или выбора материала

• анализ параметров и режимов работы КЭ (изделия);
• анализ конструкции (устройства) и совместного
действие узлов (самостоятельно);
• анализ возможной технологии изготовления изделия
(КЭ) (самостоятельно);
• изучение существующих или применяемых
материалов в данной области техники;
• формулирование требований к материалу и его
свойствам;
• собственно выбор материала.
Взаимосвязи в разработках новой техники и
создании новых материалов.

15. Анализ существующих материалов

Знать основные материалы и потенциальные
заменители основных материалов для данной
отрасли народного хозяйства
Классификация материалов
• Межатомная
связь:
ионная,
ковалентная,
металлическая
металлы и неметаллы
• Структура
материалов
аморфные и мезоморфические
• Назначение материалов
функциональные
кристаллические,
конструкционные
и

16.

Виды материалов
Полимеры: полиэтилен, полиметилметалкрилат, полиамид,
полистерол, поливенилхлорид, полиэтилентерафтолат,
полиэтилэфиркетон, эпоксиды.
Эластомеры: древесина, кожа, ткани, кости.
Стекла: силикаты, оксид кремния, металлические аморфные сплавы.

17.

Виды материалов
(продолжение- Керамики)
Керамика: оксиды, карбиды, нитриды. силициды, бориды.
Конструкционные жаропрочные керамики: SiC, Si3N4, ZrO2, ZrC,
Al2O3, TiC и др.;
Коррозионно-стойкие огнеупоры: BeO, ZrO2, ThO2, MgO, SiC,
AlN, Si3N4, BN, TiC-TiB2, ZrB2,
Износостойкие покрытия -BN, SI3N4.
Функциональные керамические материалы :
-специальный инструмент: Si3N4, BN, B4C, TiC и керметы WCCo, WC-TiC-Co, TiC -Ni -Mo, Al2O3-TiC, и др.;
-электротехнические: резисторы:NbC, SiC, MoSi2, TaWC,
сверхпроводники-NbN, полупроводники-SiC, Si3N4, ÀlN, BN,
диэлектрики- BeO, Al2O3, электроды- LaB6, SiC, ThO2, Y2O3
-термоэлементы - ZrB2, TiC, MoSi2, Wsi2;
-фильтры (пористые изделия) - ZrO2, ZrC, SiC, Al2O3, TiB2, Si3N4.

18.

Наноразмерные поры в оксидной пленке Al2O3

19.

Нанотрубки платины, полученные после
растворение пористой оксидной матрицы

20.

Виды материалов
(продолжение)
Композиционные материалы -это гетерогенные системы, полученные
из двух и более компонентов с сохранением индивидуальности каждого
отдельного компонента: матрицы и упрочняющей фазы.
Материал матрицы: металлы и их сплавы, органические
неорганические полимеры, керамики и углеграфитовые материалы;
и
Упрочняющая (армирующая) фаза: тонкодисперсные частицы, волокна:
-стеклянные волокна (кварц, оксиды) для стеклопластиков;
-углеродные волокна с металлическими матричными покрытиями для
металлической матрицы;
- борные волокна (W+B+SiC) - борсик, для полимерной и Al матрицы;
-волокна из карбида кремния для металлической матрицы;
-металлические волокна из стали, вольфрама (молибдена)
барьерными матричными покрытиями: TiC, HfC, Al2O3, Hf2O3.
с

21.

Виды материалов
(продолжение - Композиционные
материалы)
Перспективные конструкционные композиты:
-С С -композиты (углерод -углеродный композит) с ориентацией
волокон от 3D до 13D;
-Углепластики -композиты с матрицей из термореактивных смол
(эпоксидных, полиэфирных), упрочненные углеродными
волокнами;
Градиентные материалы -композиты с переменными по
сечению плотностью и составом .

22.

Продукция из углепластиков

23. Конструкционные материалы

Конструкционными называют материалы, обеспечивающие
целостность и несущую способность конструкции тех или
иных изделий. Классы конструкционных материалов:
Материалы с повышенной и высокой прочностью: стали,
которые по уровню легирования делятся на углеродистые ( 0,2 500
МПа), малолегированные ( 0,2 1600 МПа), среднелегированные
( 0,2 1750 МПа) и высоколегированные ( 0,2 3400 МПа).
Стали и сплавы для высоких температур:
-углеродистые стали Траб ≤ 4500С;
-высоколегированные ОЦК-стали Траб ≤ 630 – 7000С;
-аустенитные стали с карбидным упрочнением Траб ≤ 6000С; с
карбидно-интерметаллидным упрочнением Траб ≤ 8000С);
-жаропрочные никелевые сплавы Траб ≤ 8000С) с широкими и
ограниченными
технологическими
возможностями
(обрабатываемостью);

24. Конструкционные материалы (продолжение)

Стали и сплавы для высоких температур (продолжение):
деформируемые сплавы :
• на основе титана
Траб ≤ 350-5500С;
• на основе алюминия Траб ≤ 3000С;
• на основе магния
Траб ≤ 1500С;
литейные стали и сплавы:
никелевые сплавы
Траб ≤ 8000С;
титановые сплавы
Траб ≤ 5000С;
алюминиевые сплавы Траб ≤ 3500С;
магниевые сплавы
Траб ≤ 1500С.

25. Конструкционные материалы (продолжение)

• Материалы
с
повышенными
технологическими
свойствами, включая чугуны, латуни (Cu-Zn+Al, Fe, Mn, Sn,
Pb), бронзы (Cu-Sn+Al, Ni, Mn, Fe, Mg, Be, Si, Pb, P, Cr, Zr) и
медно-никелевые сплавы (например, мельхиор).
• Материалы триботехнического назначения, включая
износостойкие твердые (алмаз, керметы и керамики) и
мягкие (например, баббиты: Sn+12Sb+6Cu) материалы.
• Материалы с высокими упругими свойствами, включая
углеродистые стали ( В 2000 МПа), специальные
коррозионно-стойкие стали (с содержанием Cr>13%),
бериллиевые бронзы (Cu-Sn-Be), аморфные сплавы на
основе титана и никеля.

26. Конструкционные материалы (продолжение)

• Материалы с малой плотностью и высокой удельной
прочностью, включая алюминиевые, магниевые,
титановые и бериллиевые сплавы, полимерные
материалы, дисперсно-упрочненные и эвтектические
композиты, волокнистые композиционные материалы с
неметаллической (полимерной, углеродной) матрицей.
• Материалы, устойчивые к воздействию температуры
и внешней рабочей среды, включая коррозионно-стойкие
материалы (и специальные покрытия), тепло- и
жаростойкие сплавы, радиационно-стойкие сплавы,
сплавы с малым газовыделением (газоотделением),
материалы криогенной техники и другие.

27. Функциональные материалы

Функциональными называют материалы,
характеризующиеся ярко выраженным свойством
Инструментальные материалы:
-стали, легированные вольфрамом и другими элементами;
-керметы с кобальтовой матрицей и карбидом WC;
-керамики типа SiC, SimNn и др.;
-штамповые стали для холодного и горячего деформирования и
рассчитанные на ударные нагрузки, другие материалы.
Материалы с особыми физическими свойствам:
электрические свойства:
проводники - сплавы Ag, Cu, Au, Al, Fe;
сверхпроводники – Nb3Sn, NbTi;

28. Функциональные материалы (продолжение)

высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП):
La2-xMxCuO4 (Траб 45K);
Y(La)Ba2Cu3O7-y (Траб 100К);
Bi2(Sr,Ca)3O8+ (Траб 120К) и
Tl1-2Ba2Ca2Cu3Ox (Траб 160К);
Полупроводники
–Si, Ge, GaAs, CdS, CuInSe21, SiC, алмаз, Si+B+P+TamOn, аморфный-Si
для электроники, инфракрасной техники, оптоэлектроники и
волоконной
оптики,
фотоэлектронных
преобразователей,
детекторов и сенсоров;
изоляторы
• –керамики, стекло, полимеры, соединения

29. Функциональные материалы (продолжение)

магнитные свойства:
• магнитомягкие
материалы
для
электротехнических
устройств (трансформаторов, преобразователей и др.),
основным из которых является сплав Fe-3Si и
быстрозакаленные
сплавы
на
основе
железа;
магнитотвердые материалы для постоянных магнитов на
основе сплавов Nd-Fe-B, РЗМ-Fe-B+(Cu, Co, Zr);
тепловые свойства:
• термоэлектрические материалы (термопары) на основе
металлов и сплавов, используемых попарно в следующих
комбинациях:
Pt/Pt-Rh;
Cu/константан
(40Ni-60Cu);
хромель(90Ni-10Cu)/алюмель (94,5Ni-2Al-2Mn-1Si-0,5Co);
• теплопроводники в виде металлов с максимальной
теплопроводностью: Cu, Ag, Au, Al, Be, Mg;

30. Функциональные материалы (продолжение)

тепловые свойства (продолжение):
• сплавы с аномальными зависимостями тепловых свойств
(термического расширения) от температуры на основе
железа и никеля: инвар (Fe-35Ni), сплавов Fe-Pt, Fe-Pd, Ni-Pt,
Ni-Al;
теплоносители:
-газы (He, CO2), легкая и тяжелая вода, жидкие металлы и
их сплавы: Na, Na-K, Li, Pb, Pb-Bi, Pb-Li, расплавы солей
металлов, например, Li-Be-F;
малая плотность (высокая удельная прочность):
• металлы: Be, Al, Mg,
• полимеры,
керамики,
углепластики;
углеродные
материалы,

31. Функциональные материалы (продолжение)

ядерные свойства:
ядерное топливо (изотопы U235, Pu239, U233 ):
-металлический уран и его сплавы (например, U-Mo, U-Zr и
др.);
-керамика: UO2, UC, UN и др.;
-дисперсное топливо (например, Al + UO2);
-микротвэлы (например, UO2+С, UC+C).
замедлители нейтронов
материалы с малой массой ядра - D2O, H2O, графит, Be, BeO и
гидриды металлов.
поглотители ядерного излучения:
нейтронов (B, B4C, Gd, Sm, Eu, Hf, Cd и их соединения);

32. Функциональные материалы (продолжение)

поглотители ядерного излучения (продолжение):
нейтронов и гамма-излучения :
-Pb, Eu2O3 и Dy2O3 в металлах;
-специальный бетон);
выгорающие поглотители:
(Cr10B2, Gd2O3, Gd-Zr-Nb, Er, Eu2O3);
размножители нейтронов:
на реакциях (n,2n), (n,3n) – это сплавы на основе U, Be, Mo, Nb
и др. металлов.

33. Функциональные материалы (продолжение)

оптические свойства
являются ключевыми для волоконно-оптических материалов:
- оксиды (P2O5+GeO2+Ga2O3, SiO2+GeO2+Al2O3+ NaO+As2O3.);
-монокристаллы (CsBr, CsI);
- поликристаллы (AgCl, AgBr+AgCl, ZnSe) и др.,
специальные (оптические) пленки:
-просветляющие - Na2O-BrO3-SiO2;
-отражающие - Iu2O3-SnO2,
-изменяющие цвет - TiO2-SiO2, SiO2-RxOy (R – это Fe, Co, Cr) .
специальные стекла :
селективно поглощающие свет - As-Se-Ge (P, Tl, S),
для инфракрасного излучения - ZrF4-BaF2-LaF3-AlF4-LiF) и др.

34. Материалы с особыми физико-химическими свойствами

аккумуляторы энергии (накопители энергии в виде
твердых электролитов: PbAgI5, Ag/PbAgI5/C;
материалы
для
накачки
лазеров:
InGaP/GaAs/InGaAs;
аккумуляторы: Li-SO2 и др;
накопители водорода: интерметаллиды La, Ni, Mg),
катализаторы химических реакций в виде
керамики (Pt / SiO2), фехралевой ленты (Pt / Fe-CrAl) и ультрадисперсных порошков (SiO2, TiO2,
Al2O3);
фотокатализаторы, например из TiO2.

35. Материалы с «интеллектом»,

сенсоры,
т.е.
преобразователи
внешнего
воздействия в изменение свойств и размеров:
электрохимические;
газочувствительные;
сцинтилляционные (BiGe, BaF, CaF+Eu);
термочувствительные (GeAs, MgO-Al2O3-SiO2);
фотоэлектрические (Si(B, P), SiC, PbS и др.);
пьезоэлектрические (ZnO на GaAs);
барочувствительные (GeAlAs) и другие;
сплавы с эффектом памяти формы на основе
никелида титана, меди и др. металлов.

36. Основные этапы создания или выбора материала

• анализ параметров и режимов работы КЭ (изделия);
• анализ конструкции (устройства) и совместного
действие узлов;
• анализ возможной технологии изготовления изделия
(КЭ);
• изучение
существующих
или
применяемых
материалов в данной области техники;
• формулирование требований к материалу и его
свойствам;
• собственно выбор материала.
• Взаимосвязи в разработках новой техники и
создании новых материалов.

37. Подходы к формулированию требований к свойствам материалов

1.Необходимо составить основную(ые) характеристику(и)
материала на основе анализа назначения и условий
эксплуатации КЭ.
Характеристика – это эксплуатационное требование по
основному назначению материала, т.е. сопротивление
разрушению (деградации) при воздействии внешней среды.
Типичные характеристика : жаропрочность, высокая прочность,
коррозионная стойкость, радиационная стойкость и др.
2.
Составить
технико-экономическую
характеристику
материала.
Типичная характеристика: технологичность материала.
3. В характеристике указать физические или физикохимические особенности данного материала. Например,
минимальный
захват
тепловых
нейтронов,
или
минимальное газовыделение.

38. Свойства материалов

Понятие «свойство» – характеристика, определяемая
тестированием
Свойств материала = F (природа -межатомная связь, состав,
структура, фазовое состояние материала).
В физическом материаловедении свойства:
• физические,
• механические (физико-механические),
• физико-химические (термодинамические)
• технико-экономические.
структурно-чувствительные свойства – свойства, зависящие
от строения, структуры (механические свойства, магнитные
свойства ферромагнетиков).
структурно нечувствительные свойства – свойства, слабо или
полностью не зависят от структуры.

39.

Свойства материалов, учитываемые при
конструировании машин и оборудования

40. Физические свойства

Тепловые свойства
Теплоемкость – С, Дж/кг·К
Коэффициент теплопроводности - , Вт/м К,
Температуропроводность – а= /d×C, м2/с
Коэффициент термического расширения - 1/К,
Температура фазовых превращений - К,
Энтропия – Дж/К,
Внутренняя энергия, теплота (энтальпия) процесса, энергии
активации тех или иных процессов переноса - Дж/моль.
Н
U
TS
TS
PV
F
PV
G

41. Физические свойства (продолжение)

Ядерные свойства
-зарядовое число – Z (число протонов в ядре),
массовое число (атомный вес) – А,
период полураспада (для радиоактивных) изотопов – Т1/2 (сек),
сечения захвата нейтронов:
(n, ) – радиационный захват,
(n,р), (n, ) и др.,
(n,n) - сечение упругого (и неупругого) рассеяния нейтронов;
пог, сечение поглощения нейтронов. - Все виды сечений измеряются в барнах, причем 1 барн=10-28м2.

42. Физические свойства (продолжение)

Электрические и магнитные свойства
Электропроводность (удельное электросопротивление)
характеризуют степень взаимодействия электронов с
ионами кристаллической решетки и зависят от природы
кристалла, состава конкретного сплава и температуры.,
Ом.м
Магнитная восприимчивость характеризует способность
вещества (магнетика) намагничиваться в магнитном поле:
I= H
- магнитная восприимчивость, величина безразмерная
- относительная магнитная проницаемость B= 0. H
= -1
Диамагнетики: 0 (порядка 10-8-10-7м3.кмоль-1);
Парамагнетики: 0 (порядка 10-7-10-6 м3.кмоль-1);
Ферромагнетики: 0 (порядка 103 м3.кмоль-1).

43. Механические свойства

Механические свойства – характеристики
сопротивления материала деформации и
разрушению.
Напряжение – мера внутренних сил,
возникающих в деформируемом теле под
влиянием внешнего или внутреннего
воздействия,
=P:F0,
S=P:F
(Па =Н:м2).
Деформация – это характеристика изменения
размеров и формы тела. = l:l0,
где l:- прирост исходной длины l0 образца при
деформации.
. - относительное удлинение ( = l:l0,)
- относительное сужение поперечного сечения ( =(F-Fo):Fo)

44. Механические свойства (продолжение)

Механических свойств условно можно разделить на три группы:
Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при
однократном кратковременном нагружении:
модуль нормальной упругости – Е, модуль сдвига – G,
коэффициент Пуассона - ;
пределы упругости - упр. пропорциональности - пц. текучести
(условный) - 0,2 , временное сопротивление (предел прочности) - в,
сопротивление срезу - ср и сдвигу - сдв
твердость вдавливанием индентора (например, стального шарика - по
Бринеллю) - НВ (МПа), царапаньем (по шкале Мооса)
микротвердость – H (сопротивление вдавливанию алмазного
индентора при очень маленьких нагрузках с получением малых
глубин и размеров отпечатка – МПа).
Степень деформируемости (%) характеризуется относительным
удлинением - (общим - 0 или равномерным - р,) и относительным
сужением - .

45. Механические свойства (продолжение)

Вторая группа включает свойства и параметры, оценивающие
сопротивление материалов переменным и длительным
статическим нагрузкам.
Многократное нагружение ( 02):
предел выносливости (усталости) материала - 1,N..
многоцикловая усталость: N=107…2 107 циклов;
малоцикловую усталость N менее 5.104 циклов;
Длительные
статические
нагрузки
при
повышенных
температурах ( 02):
-пределом ползучести называют максимальное напряжение,
которое при рабочей температуре вызывает заданную
деформацию (обычно до 1%) на определенной базе, например
104 час
-пределом длительной прочности называют максимальное
напряжение, которое при заданной температуре вызывает
разрушение материала на базе определенного времени,
например 104 час

46. Механические свойства (продолжение)

Третью группу составляют характеристики разрушения:
К1С – вязкость разрушения или критический коэффициент
интенсивности напряжений при плоской деформации (МПа
м);
КС – вязкость разрушения или критический коэффициент
интенсивности
напряжений
при
плосконапряженном
состоянии;
ак – работа разрушения или удельная ударная вязкость
(Дж/м2):
КСТ - (Дж/м2) для образца с трещиной;
КСU - (Дж/м2) для образца с кольцевым надрезом;
СРТУ – скорость роста трещины усталости (при
усталостных испытаниях)
при заданном размахе
интенсивности напряжений - К.

47.

О разрушении материалов

48. Механические свойства (продолжение)

Механические свойства определяют:
Конструктивную прочность - это прочность конкретной
конструкции;.
Надежность изделий — свойство изделия выполнить заданные
функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в
заданных пределах и в
течение требуемого промежутка
времени;
Долговечность
—
свойство
изделия
сохранять
работоспособность до предельного состояния;
Предельное состояние материала: разрушение, потеря формы
или размера, потеря устойчивости, износ, накопление
внутренних дефектов.
Живучесть - способность материала работать в поврежденном
состоянии (после образования трещины).
Работоспособность конструктивных элементов – это свойство
изделия обеспечить запланированный ресурс.

49. Механические свойства (продолжение)

Основными методами оценки работоспособности конструкций или КЭ
являются стендовые, натурные и эксплуатационные испытания. Но
не всегда это можно сделать.
Проводят расчетное обоснование прочности элементов установок, если
из-за высокой трудоемкости или больших материальных затрат, эти
испытания нельзя осуществлять полностью или частично.
При выборе размеров изделия в качестве основных используют
механические характеристики:
-пределы прочности и текучести,
-пределы ползучести и длительной прочности;
-предел выносливости;
При
этом
предельные
напряжения
принимаются
с
учетом
соответствующих запасов:
nв, — запас прочности (nв, = 2,5);
n0,2 — запас по пределу текучести (n0,2 = 1,5);
nп — запас по пределу ползучести (nп = 1,2);
nдп — запас по пределу длительной прочности (nдп = 2,0).

50.

Карты деформации
Важны для определения механизма деформации по
приведенным напряжениям ( /Е или /G) и температурам (Тр/Тпл)

51. Надежность материалов

Важна для конструктивных элементов, работающих под
действием больших давлений
Надежность материала, т.е. его сопротивления внезапному
хрупкому разрушению, можно оценить по критериям:
а)температурный запас вязкости – Т:
Т=Тр-Тхр,=Т0хр+ ТN++ ТСТ+ ТРАД+ ТКОР
б)критическая длина трещины lкр ;
в)удельная работа зарождения и роста трещины -ак, ;
г)вязкость разрушения -К1С..
Тр — рабочая температура, Тхр — критическая температура
хрупкости;
Т0хр — критическая температура хрупкости материала в
исходном состоянии;
ТN, ТСТ, ТРАД, ТКОР — сдвиги температуры вследствие
накопления усталостных повреждений, старения материала
в процессе эксплуатации, накопления радиационных
повреждений и коррозионного взаимодействия со средой.

52. Вывод по механическим свойствам

С точки зрения надежности и работоспособности КЭ
(и
материалов)
ЯЭУ
среди
механических
характеристик важное значение имеют:
-пределы прочности, текучести, ползучести, длительной
прочности и выносливости;
-модуль нормальной упругости, относительные удлинение и
сужение сечения, удельная работа разрушения и вязкость
разрушения, а также критическая температура хрупкости
материала.
Значения этих характеристик материалов в общем случае
должны отвечать комплексу оптимальных требований.
При
рабочей
температуре
материал
должен
иметь
максимально достижимые значения этих свойств с учетом
характера нагружения (постоянного, циклического и др.).

53. Физико-химические свойства

Это
совокупность
свойств,
характеризующих
степень
химического взаимодействия материалов с окружающей
технической средой.
Интерес представляет совместимость материалов, т.е. степень
химического взаимодействия конструкционного материала со
всеми его окружающими материалами, средой (кислород,
водород, галогены, жидкие металлы и др.).
Комплекс
физико-химических
свойств,
определяющий
совместимость:
-энергия межатомной связи;
-электродный потенциал металла (относительно водородного
электрода): от лития ( =-3,045 В) до золота ( =+1,68 В).
-сродство металла к кислороду (склонность металла к пассивации) и
другим активным элементам среды, выраженное через изменение
свободней энергии, например Гиббса, при образовании
соединений.
- Увеличение склонности металлов к пассивации нарастает в ряду:
Cu-Fe-Ni-Mo-Be-Nb-Zr-Ti.

54. Физико-химические свойства (продолжение)

Оценки устойчивости фаз и соединений, образованных металлами:
А) По величинам свободной энергии Гиббса ( G) можно определить
и устойчивость других соединений элементов, включая
интерметаллиды (чем меньше G, тем прочнее соединение).
Б) По величине элетроотрицательности.
• электроотрицательность по Полингу –есть средняя величина
энергии ионизации (R R++e-) – J и сродства атома к электрону
(R+e- R-) – A:
=(А+J):2.
чем больше разница электроотрицательностей двух элементов ( ),
тем прочнее соединение.
При формулировании требований к физико-химическим свойствам
конструкционного материала необходимо помнить, что облучение
материалов ускоряет взаимодействие со средой (коррозию) и
поэтому так называемая радиационная коррозия несколько выше
обычной.

55. Технико-экономические характеристики

К технико-экономическим характеристикам относят:
доступность, цена и технологичность материала
• Доступность - определяется распространенностью основных
химических элементов материала в природе и объемом их
производства.
• Технологичность материалов –это способность поддаваться
различным методам горячей и холодной обработки: легко плавиться и
заполнять форму, обрабатываться давлением (коваться) и резанием
(обрабатывающим инструментом), паяться, свариваться и т.д.
• Общую технологичность конструкции изделия можно оценить
следующими показателями: 1) трудоемкость конструкции (в часах); 2)
коэффициент использования металла (материала); 3) степень
использования стандартных и нормализованных деталей и сборочных
единиц; 4) доля деталей оригинальной и сложной конструкции; 5) доля
использования деталей в ранее существующих конструкциях; 6)
коэффициент повторяемости одноименных деталей; 7) себестоимость
деталей, сборки изделия; 8) ремонтопригодность изделия.

56.

Группы цен разных материалов

57.

Сравнительная цена
тонны материала
долларах США

58.

Распространенность материалов на земле

59.

Энергозатраты на производство материалов ,
ГДж/тонна

60. Основные и ограничивающие свойства

Разработка и выбор конструкционных материалов всегда
компромиссная задача.
основные и ограничивающие факторы (свойства)
• Основные
факторы
определяются
условиями
эксплуатации КЭ и обуславливают главные или рабочие
свойства конструкционного материала. Обычно это
комплекс механических и физических свойств: длительная
прочность (ползучесть), сечение захвата тепловых
нейтронов и др.
• Ограничивающие факторы определяют те свойства,
которые влияют на технико-экономические показатели КЭ,
например ЯЭУ,
но
не
являются
определяющими
работоспособность материала. К числу таких свойств
следует отнести технологичность, стоимость, удельную
прочность, вакуумно-технологические свойства, в ряде
случаев совместимость материалов и другие свойства.

61. Требования к свойствам материалов

Два подхода:
Качественный
подход,
когда
формулируется
скорее
тенденция, чем конкретная величина свойства: свойство
должно иметь максимально или минимально возможные
величины среди достижимых ( мах, мин).
В качестве исходной величины обычно принимаются
свойства
основы
будущего
сплава.
Например,
теплопроводность сплава должна быть не менее
теплопроводности основы.
Количественная оценка, когда формулируется требование
получения заданной величины того или иного свойства.
Например, предел длительной прочности при заданной
температуре и времени работы должен быть не менее
конкретной величины предела длительной прочности
( 1%,tТр> nп pTp=500МПа).
Требования к свойствам материала формулируются всегда с
учетом характеристики материала

62. Типичные требования к свойствам

Прочность
механические свойства
Жаропрочность физические свойства
механические свойства
физико-химические свойства
Термостойкость физические свойства
механические свойства
физико-химические свойства
Выносливость механические свойства
физико-химические свойства
Технологичность механические свойства
физические свойства

63.

Требования к свойствам материалов
(продолжение)
Характерист
ика
материала
(сплава)
Прочность
Свойства материала
Количественная
оценка свойства
Механические
Е
–
модуль
нормальной Е Еосн=А1
упругости, ГПа
BТр >nB pTp=A2
B – предел прочности, МПа
0,2Тр >n0,2 pTp=A3
0,2 – предел текучести, МПа
техн=А4
– относительное удлинение, % техн – треб. по
технологии

64.

Требования к свойствам материалов
(продолжение)
Жаропрочность
(прочность,
жаростойкость)
Физические
Тпл – тем-ра плавления, К
– теплопроводность, Вт/(м×К)
D – коэффициент диффузии
легирующего элемента, м2/с
Механические
Е – модуль норм. упругости, ГПа
B – предел прочности, МПа
0,2 – предел текучести, МПа
tTp
–
предел
длительной
прочности, МПа
1%, Tp – предел ползучести, МПа
– относительное удлинение, %
Физико-химические
(для
обеспечения
жаростойкости)
H0MmOn – теплота образования
оксида металла MmOn, кДж/моль
Е0Н – электродный потенциал, В
Тпл~Тплосн=А5
~ осн=А6
D<Dсд=А7,
Е Еосн=А1
BТр > nB pTp=A2
0,2Тр > n0,2 pTp=A3
tТр > nдл pTp=A8
1%,tТр > nп pTp=A9
техн=А4
H0MmOn< H0MmOnосн
Е0Н>Е0Носн