2.1. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

С физической точки зрения к твердым телам относятся только кристаллические тела. Для них характерно правильное расположение атомов - гак называемая кристаллическая решетка.

Несмотря на многообразие кристаллических решеток, большинство твердых тел имеет решетку трех типов: объемно-цен- грированную кубическую (ОЦК), гранецентрированную кубическую (ГЦК), гексагональную плотноупакованную (ГПУ).

Типы элементных кристаллических ячеек

Рис. 2.1. Типы элементных кристаллических ячеек:

а - ГЦК (Си, Al, y-Fe); б - ОЦК (Na, W, oc-Fe); в - ГПУ (Mg, Zn, Ti, графит)

На рис. 2.1 показаны элементарные ячейки, многократным повторением которых можно получить твердое тело, являющееся в данном случае монокристаллом.

Для монокристаллов характерны правильная геометрия и анизотропия свойств (т.е. зависимость свойств от направления). В монокристаллах имеются так называемые плоскости легкого скольжения, вдоль которых происходит соскальзывание одной части кристалла относительно другой под действием механических напряжений.

Применяемые в технике металлы и их сплавы являются в основном поликристаллами, состоящими из множества зерен; в пределах одного зерна сохраняется правильная кристаллическая решетка. Для металлов размеры зерен составляют 1...10 000 мкм, толщина границ между зернами около 0,5 нм. Из-за хаотического расположения зерен поликристаллы изотропны, а свойства любой поверхности поликристалла в среднем одинаковы.

В объеме металлов имеется большое количество различных дефектов (вакансий, внедренных инородных атомов, дислокаций). Присутствует углерод в свободном или связанном состоянии, постоянные примеси (S, Mn, Р, S, О, Н и др.), лег ирующие элементы (Cr, Ni, W, V и др.), а также имеются разрывы сплошности материала в виде округлых пор и субмикротрещин.

Особое место в строении металлов занимают границы зерен. Материал на этих участках находится в ослабленном состоянии вследствие повышенной концентрации отмеченных выше дефектов. Об уровне возможной концентрации дефектов в металлах можно судить по расчетно-экспериментальным оценкам критической плотности дислокаций, при достижении которой в локальном объеме возникают трещины. Для металлов Fe, Ni, Си, Al, Mg и др. эта величина находится в пределах 1010... 1012 см-~ [5].

Поры и трещины формируют в металлах развитую микрока- пиллярную сеть, которая начинается на поверхности в виде системы микроскаиических и субмикроскапических трещин и полостей, а далее переходит в фазовые поверхности раздела элементов, структурные и внутренние трещины. Благодаря такому строению металлов внешняя среда за счет адсорбционных и диффузионных процессов проникает внутрь их и оказывает физико-химическое воздействие на механические свойства приповерхностных слоев твердых тел.

При контактном взаимодействии твердых тел необходимо учитывать как объемные, так и поверхностные механические свойства металлов. Объемные свойства характеризуются известными из механики деформирования твердых тел величинами - модулем упругости Е, пределом текучести <гт, коэффициентом Пуассона р и т. д. Поверхностные свойства принципиально должны характеризоваться геми же по физическому смыслу величинами. Однако вследствие сложности их определения используются интегральные величины - твердость и микротвердость. Твердость - это свойство материалов оказывать сопротивление проникновению в него более прочного эталонного материала.

Так, твердость по Бринелю НВ равна отношению вдавливающей силы F,, к площади поверхности лунки S, образовавшейся в материале после вдавливания в него шарика диаметром D из закаленной стали:

где d- диаметр отпечатка.

Микротвердость Н0 определяется при вдавливании в материал алмазной пирамиды:

где а, - диагональ отпечатка, измеряемая иод микроскопом, мм.

В силу конструктивных особенностей, заложенных в этот метод, он позволяет определять механические свойства в тонких поверхностных слоях (10...50 мкм), соизмеримых с глубиной деформаций материалов при трении. Между числом твердости по Бри- неллю НВ и величиной предела прочности сталей при разрыве ст„ существует приближенная эмпирическая зависимость:

Полимеры как конструкционные материалы в современной технике занимают важное место наряду с металлами. Область их применения непрерывно расширяется. Физико-механические свойства полимеров отличаются от свойств металлов и сплавов. Полимеры состоят из огромных молекул, образующихся в результате соединения небольших групп атомов, чаще всего атомов углерода и водорода. В зависимости от формы и размеров молекул полимера свойства его могут меняться в самых широких пределах.

Линейные полимеры имеют линейные молекулы, связанные между собой силами Ван-дер-Ваальса. При повышении температуры такие полимеры легко размягчаются и переходят в жидкое состояние, причем изменение их свойств происходит постепенно (отсутствует фазовый переход первого рода - плавление). При комнатной температуре структура линейных полимеров полностью аморфная, или частично кристаллическая. Линейные ноли- меры являются основой термопластов, которые легко обрабатываются давлением при температурах до 200...300 °С. К термопластам относятся фторопласты, поливинилхлорид, капрон, полиэтилен, полистирол и др.

Полимеры с замкнутой пространственной сетчатой структурой составят основу термореактивных полимеров (фенолформальдегидные смолы, карболит, этрол и другие сильнонаполненные полимеры).

Особым классом термопластических полимеров являются каучуки. Вулканизированные серой каучуки - резины - являются термореактивными эластомерами.

Преимущества полимерных материалов: сравнительно низкая удельная стоимость; технологичность при изготовлении деталей; малая плотность и, соответственно, более высокая удельная прочность отдельных из них (стеклопластики и др.); хорошие изоляционные свойства; коррозионная стойкость. Недостатки: снижение физико-механических свойств со временем, под действием температуры, ультрафиолетового и ионизирующего излучения, влияния окружающей среды (кислорода, азота, воды и др.); не подчиняются закону Гука.

Модуль упругости этих материалов зависит от температуры и скорости деформации. Они обнаруживают заметную ползучесть при комнатной температуре, а при упругой деформации в полимерах наблюдается гистерезис, обусловленный значительным вну тренним зрением. Полимеры также обладают низкой теплопроводностью, что отрицательно влияет на их фрикционные характеристики.

В последние годы очень широко используются в машиностроении гуммированные детали благодаря их высокой износостойкости в абразивных средах, меньшей массе и хорошей ударно- и вибростойкости.

В отличие от металлов резины имеют 5-образную форму кривой напряжения деформации при растяжении, высокую ползучесть и остаточную деформацию при комнатной температуре, значительный гистерезис, сильную зависимость механических свойств от температуры и режимов нагружения, постоянный объем при деформации. Кроме того, резины характеризуются высокой химической стойкостью. Также эластомеры обладают уникальными свойствами: эластичностью, высоким относительным удлинением (до 1000 %). Благодаря этим свойствам они широко используются в шинах, уплотнениях, манжетах и многих других ответственных деталях машин.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >