В зависимости от величины удельного электросопротивления r, (измеряемого в Омометрах) все материалы делят на группы: 1) сверхпроводники (r ≤ 10-20Ом×м), 2) криопроводники (r от 10-10 до 10-8 Ом×м), 3) металлы и сплавы (r от 10-8 до 10-5 Ом×м), 4) полупроводники (r от 10-5 до 10+8 Ом×м), 5) диэлектрики (или изоляторы) от 108 до 1022 Ом×м.

Сверхпроводящие свойства металлических материалов проявляются в интервале температур от 5 до 20 К. Такими свойствами обладает чистый ниобий и его сплавы (напр., 65БТ – 65 % Nb–24 % Ti–11 % Zr). Используются эти сплавы для изготовления магнитов большой мощности, а тонкие ленты и проволоки – в некоторых приборах автоматического управления.

Криопроводники работают в интервале т-р 77-120 К. К их числу относятся медь, бронза. Используются в электронных приборах.

Проводниковые материалы из металлов и сплавов делят на три группы:

1)металлы и сплавы высокой проводимости, 2)контактные материалы, 3) стали и сплавы высокого сопротивления.

К числу материалов высокой проводимости относятся Ag, Cu, Al, Fe и многие сплавы на их основе. Используются эти материалы в каче6стве токонесущих проводов, электрических шин, различных кабелей. Алюминий используется также в качестве конденсаторной фольги. Железо и низкоуглеродистые стали используются для изготовления рельсов трамваев, метро, электропоездов.

В материаловедении по магнитным свойствам материалы делят на магнито-мягкие, магнито-твёрдые и немагнитные в зависимости от характера взаимодействия материалов с приложенным магнитным полем.

Намагниченность ферромагнетика связана с напряжённостью приложенного магнитного поля – Н (измеряемой в А/м – Ампер/метр) нелинейной зависимостью. Она сначала растёт с увеличением напряжённости, а затем достигает насыщения, когда суммарные магнитные моменты всех областей в кристалле (называемых доменами) будут ориентированы в направлении приложенного поля. Достигаемая при этом магнитная индукция В (суммарная плотность магнитного потока от внешнего поля и собственного магнитного потока) называется индукцией насыщения и обозначается – Внасыщ.. измеряется она в единицах «Тесла» (пропорциональных А/м). При снятии внешнего поля магнитная индукция в материале не исчезает полностью, а лишь снижается до некоторой величины, называемой остаточной индукцией – Вост. (см. рисунок – петля гистерезиса). При наложении внешнего магнитного поля в противоположном направлении индукция В снижается до нуля. Напряжённость внешнего магнитного поля, при котором это происходит, называется коэрцитивной силой – НС, измеряемой в А/м. При неоднократном изменении знака прилагаемого внешнего магнитного поля формируется замкнутая петля, называемая петлёй гистерезиса. Произведение (В×НС) – называется магнитной энергией. Эта характеристика пропорциональна площади петли гистерезиса, т.е. затратам энергии на перемагничивание материала.

Важной характеристикой магнитных свойств ферромагнетиков является магнитная проницаемость – m, то есть скорость роста магнитной индукции В при увеличении напряжённости магнитного поля – Н. Эта характеристика является неким безразмерным коэффициентом пропорциональности между В и Н, и определяется тангенсом угла наклона начальной кривой намагничивания.

Коррозией металлов называют разрушение, вызванное химическим и электрохимическим воздействием внешней среды.

Химическая коррозия не связана с переносом электрических зарядов. К ней относится окисление металлов при нагреве в парах и газах сгорающего топлива, в жидкостях, не проводящих электрического тока (спиртах, органических жидкостях).

Электрохимическая коррозия осуществляется в присутствии электролитов (влажном воздухе, морской воде, растворах щелочей и кислот).

По характеру разрушения коррозия может быть общей (равномерной по всей поверхности материала), местной в отдельных участках (точечной или питтинговой) и межкристаллической (по границам зёрен).

Скорость общей коррозии оценивается либо потерей массы единицей площади за единицу времени (кг/м2 × с), либо глубиной разрушения изделия в мм/год. Оценивают её также и по десятибалльной шкале:

К высокопрочным относятся стали, предел прочности которых достигает 1800-2000 и более МПа, но обязательно в сочетании с определённым запасом вязкости (аК не должна быть менее 0,2 МДж/м2).

Указанным сочетанием свойств обладают: 1)среднеуглеродистые стали после их термомеханической обработки, либо комплексно-легированные стали после низкого отпуска, 2) мартенситно-стареющие стали, 3) метастабильные аустенитные стали, получившие название ПНП и ПНД сталей.

Из числа среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей, свойства которых повышаются только термообработкой (закалка с 900C + отп. 250C) можно отметить стали марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА. Их свойства характеризуются для первой (sв=1850 МПа, KCU=0,55 МДж/м2, для второй (sв=2000 МПа, KCU=0,45 МДж/м2.

При упрочнении термомеханической обработкой (сочетанием термообработки с деформацией) достигаются еще более высокие показатели

свойств. Так, в стали 40ХНПА можно достичь величин sв= 2200-2400 МПа. Высокие механические свойства достигаются за счёт измельчения кристаллов мартенсита и высокой плотности дислокаций.

Легирующие элементы вводят в стали для повышения конструкционной прочности. Наиболее дешёвыми легирующими элементами являются кремний и марганец, относительно дорогими – хром, никель, титан, ещё более дорогими – молибден и вольфрам. Поэтому последние из указанных легирующих элементов добавляются в небольших количествах к конструкционным сталям, содержащим другие легирующие элементы.

По легированности стали делятся на группы: 1) низколегированные (менее 5 % легирующих элементов в сумме), 2) среднелегированные (от 5 до 10 %) и 3) высоколегированные (более 10 % легирующих элементов).

Легирующие элементы, снижая скорость диффузии всех компонентов, снижают критическую скорость охлаждения при закалке, повышают устойчивость аустенита, улучшают прокаливаемость сталей. Возможность использования масла в качестве закаливающей среды, снижает коробление деталей, поэтому масло целесообразно использовать при закалке изделий малых размеров.

Присутствие легирующих элементов в сталях отмечается в маркировке буквами русского алфавита: А – азот (но буква обязательно ставится в середине марки, потому что буква А в конце означает, что сталь высокого качества), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор (ставится обязательно в конце марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий. Содержание компонентов в процентах записывается цифрами, стоящими в маркировке после обозначения элемента. Если содержание элемента менее 1,5, то за буквенным обозначением цифра не ставится. Содержание углерода в легированных сталях обозначается двузначным числом, соответствующим сотым долям процента. напр., сталь 40ХН означает, что в ней содержится 0,4 % углерода и примерно по 1-1,5 % хрома и никеля. Сталь 18Х2Н4МА – содержит 0,18 % углерода, 2 % хрома, 4 % никеля, менее 1 % молибдена и относится к высококачественным сталям (буква А в конце маркировки).

Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей, конструкций и сооружений.

Углеродистые стали являются одной из групп конструкционных сталей, широко используемых в различных отраслях промышленности.

Они делятся на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %)

Многие эксплуатационные и технологические характеристики таких сталей зависят от способа раскисления и содержания примесей.

Помимо химического состава, конструкционные стали классифицируют по их качеству, способам раскисления и назначению.

По способам раскисления, стали делятся на кипящие (кп), раскисляемые только марганцем (в них много кислорода), полуспокойные (пс), раскисляемые марганцем и кремнием, спокойные (сп), раскисляемые Mn, Si и Al. В спокойных сталях мало кислорода и они затвердевают без газовыделения, в отличие от кипящих, когда выделяются пузыри CO, создающие впечатление кипения. Присутствие кремния в сталях при раскислении сильно упрочняет феррит и снижает допустимую степень деформации сталей.

По качеству, стали делят на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Группа качества определяется суммарным присутствием примесей, в первую очередь серы и фосфора.

При химико-термической обработке (ХТО) изменяется химический состав и структура поверхностных слоев материалов.

Основными видами ХТО для сталей являются цементация, азотирование и нитроцементация.

При цементации поверхность стали насыщается углеродом. Существуют три основных вида цементации: в твёрдых карбюризаторах, газовых средах и жидких расплавах солей.

Концентрация углерода на поверхности деталей определяется активностью углерода в насыщающей среде. Глубина слоя с повышенным содержанием углерода – ℓ обусловлена скоростью диффузии углерода в стали – D и временем обработки - t.

Рекомендуемая глубина слоя зависит от размеров деталей и не должна превышать 10 % диаметра изделий. Достаточной толщиной обычно считается 1- 2 мм. Такая глубина проработки при температуре 910 – 9300С достигается за 5 - 20 часов.

Цементации целесообразно подвергать низкоуглеродистые стали. После цементации детали подвергают одинарной или двойной закалке с последующими низкотемпературным отпуском (при 180 – 2000С).

Термической обработкой называют операции нагрева, выдержки и охлаждения изделий, регламентированные по времени и температуре.

Существует 4 основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск и старение.

Отжиг. Под отжигом 1-го рода понимают операцию нагрева, затем выдержку при определённой температуре и охлаждение. Предназначен он для устранения химической неоднородности в пределах отдельных кристаллов, снятия деформационного упрочнения, фазового упрочнения, возникающего за счёт объёмных изменений. Выравнивание состава и свойств сталей приводит к уменьшению склонности стали к охрупчиванию.

Для выравнивания химического состава стали, используют диффузионный отжиг, когда её нагревают до 1100-1200C и выдерживают 8 – 20час.

Для исключения накопления деформационных дефектов в холоднодеформированных сталях применяют, так называемый, рекристаллизационный отжиг, т.е. их нагрев до температур рекристаллизации (450-650C, в зависимости от состава стали), выдержку при этих температурах и последующее замедленное охлаждение (до температур 300-400C).

При отжиге заметно увеличивается размер зерна. Крупнозернистость может быть частично устранена за счёт фазовой перекристаллизации. Отжиг является обычно подготовительной операцией перед другими видами термической обработки.

Диаграмма состояний сплавов служит основой классификации сплавов по структуре, а также для выбора режимов термической обработки

Прежде всего, сплавы рассматриваемой системы подразделяются на стали и чугуны. К сталям относят сплавы, содержащие до 2 % углерода, к чугунам – сплавы, содержащие 2 и более % углерода. Чугуны, содержащие около 4,3 % углерода, называют эвтектическими, от 2-х до 4,3% – доэвтектическими и более 4,3% углерода – заэвтектическими.

Преимущественной структурой эвтектических чугунов является ледебурит, состоящий из смеси кристаллов аустенита и цементита. Цементит не является термически устойчивым соединением и при медленном охлаждении или при длительной выдержке чугунов при высоких температурах распадается на смесь графита и аустенита. При последующем за выдержкой охлаждении аустенит по содержанию углерода приближается к составу, соответствующему точке S диаграммы железо-углерод. Если охлаждение в районе температур 750-700С происходит достаточно медленно (10-20С/час), то распад аустенита сопровождается выделением хлопьевидного графита, а не цементита и получается ферритный серый чугун. Если же скорость охлаждения в этом интервале температур велика, то формируется структура ковких перлитных серых чугунов (перлит – смесь феррита и цементита). Название ковкие не означает, что эти чугуны куют, а просто то, что они относительно пластичны, но не выдерживают высоких скоростей нагружения. Таким образом, в зависимости от режима охлаждения могут быть получены чугуны с различными структурой и свойствами.

Область устойчивых состояний аустенита на диаграмме состояний обозначена буквами NJESOG и, следовательно, превращения его зависят от состава стали.

Рассмотрим сначала превращения аустенита, содержащего 0,83 % углерода. При нагреве сплава от температуры 7270С до 13500С сохраняется решётка ГЦК и происходит лишь его термическое расширение. Длина образца ℓт2 , при температуре T2 связана с его длиной ℓт2 при температуре т1 соотношением: ℓт2 = ℓт1 (1 + α(т2-т1). Коэффициент для аустенита равен 1,8×10-5 1/ С.

При охлаждении образца ниже 727С происходят изменения структуры сплава, обусловленные изменением растворимости углерода и распадом аустенита на фазовые составляющие относительно устойчивые при соответствующих температурах, т.е. на феррит (α–феррит) и цементит представляющий собой химическое соединение железа с углеродом (Fe3C), содержание углерода в котором составляет ~6,7% по массе. Максимальная растворимость углерода в α–железе при 727С составляет всего лишь 0,023 % и снижается до 0,006 % при комнатной температуре. В результате изменения растворимости углерода в феррите происходит старение феррита и его упрочнение.

Выделение цементита при распаде аустенита также сопряжено с упрочнением сплава, которое тем больше, чем более мелкими являются частицы цементита. В свою очередь их размеры зависят от температуры, при которой выделяется основная масса Fe3C.

Скорость распада аустенита на феррит и цементит максимальна при температуре близкой к 550С.

Чистое железо плавится при температуре 1539С. При охлаждении расплава ниже этих температур, железо затвердевает, формируя кристаллическую решётку объемно-центрированного куба (ОЦК), которая сохраняется до 1392С. В температурной области от 1392C до 919С устойчивой кристаллической формой железа становится гранецентрированная кубическая решётка (ГЦК). При температуре 1392С обе формы кристаллов железа находятся в равновесии и могут присутствовать одновременно. Такая же картина наблюдается и при 911С. Устойчивой кристаллической решёткой вновь становится решётка ОЦК.

Переход от одной устойчивой формы кристаллов к другой, как мы уже отмечали ранее, называется полиморфным превращением.

Кристаллические решётки ОЦК и ГЦК железа имеют октаэдрические и тетраэдрические пустоты, в которых могут размещаться растворённые в железе атомы углерода и других элементов внедрения (B, N, H, O).

Исследования показали, что атомы углерода в стали в основном располагаются в октаэдрических порах.

Размещение атомов углерода в кристаллических решётках железа сопровождаются их деформацией. Поскольку при растворении углерода ГЦК решётка деформируется в существенно меньшей степени, то и растворимость углерода в ГЦК решётке, примерно в сто раз выше его растворимости в ОЦК – железе.

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физикомеханических свойств, необходимо рассмотреть основные требования, предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении, помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение заданного времени).