Лекции по "Материаловедению"

Материаловедение - научная  дисциплина о структуре, свойствах  и назначении материалов.

Свойства технических  материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства.

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением и свойствами,  изучить  термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли российские ученые.

Ломоносов М.В. (1711-1765). Он заложил в России основы металлургии, геологии, методологии.

Бадаев С.И. (1778–1848), русский  металлург. Создал оригинальный способ получения стали, названный по его  имени «бадаевской». За свое изобретение  крепостной Бадаев был выкуплен правительством у его владельца.

Аносов П.П. (1799–1851), русский  металлург широчайшего кругозора. Аносов, разрабатывая технологию производства клинков (литьё, ковку и термическую  обработку стали), впервые в 1831 г. применил для исследования структуры  булатной стали микроскоп, установил зависимость между структурой и свойствами стали, и тем самым заложил научные основы макро- и микроскопических методов исследования материалов.

Обухов П.М. (1820–1869), русский  металлург, основатель крупнейшего  производства литой стали и стальных пушек России.

Калакуцкий Н.В. (1831–1889), русский металлург. Впервые объяснил механизм образования внутренних напряжений в стали и чугуне.

Лавров А.С. (1838–1904), русский  инженер-металлург. В 1866 году выдвинул теорию, по которой сталь представляет собой твердый раствор углерода в железе. В 1891 году впервые в мире применил алюминий для раскисления стали.

Чернов Д.К. (1839–1921), русский  инженер. Им установлена зависимость  строения стали от условий отливки, ковки, термической обработки и указано на связь структуры со свойствами стали.

Курнаков Н.С. (1860–1941), русский ученый. Им установлена общая  закономерность изменения свойств  в зависимости от структуры и  состава сплавов и выразил  её в диаграммах.

Грум-Гржимайло В.Е. (1864–1924), автор русского бессемерования. Он первый в 1908 году применил законы физической химии к объяснению процессов, происходящих в бессемеров-ском конвертере и в стальной ванне мартеновской печи.

Байков А.А. (1870–1946), русский  металлург и металловед. Он впервые  экспериментально доказал реальность существова-ния аустенита.

Штейнберг С.С. (1872–1940), Минкевич Н.А. (1883–1942) – основатели теории и  технологии термической обработки  стали.

Конобеевский С.Т., Курдюмов Г.В., Садовский В.Д., Бочвар А.А., Тишкин С.Т., Агеев Н.В., Гуляев А.П. – крупнейшие ученые, работы которых посвящены исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах.

Большое значение в разработке инструментальных материалов имеют  работы крупнейшего ученого Геллера  Ю.А. (1902–1976) и его учеников.

Бутлеров А.М. (1828–1886), крупнейший химик, создал теорию химического  строения органических соединений, подготовив научную основу для разработки синтетических  полимерных материалов.

Лебедев С.В. На основе его  работ впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука.

Достойный вклад в  развитие материаловедения внесли ученые Алтайского края и Алтайского государственного технического университета. Профессора университета Салманов Н.С., Околович Г.А., Евтушенко А.Т., Бутыгин В.Б. разработали ряд сталей для режущего и штампового инструмента, а также новые технологии упрочнения сталей. Профессор Маркин В.Б. работает в области получения новых композиционных материалов. Профессор Чепрасов Д.П., доцент Ясногородский В.Н., заведующий ЦЗЛ завода «Трансмаш» Щедрин Е.И. разработали теоретические основы легирования сталей бейнитного класса для нефтехимического оборудования, маломагнитных сплавов для специальной техники, а также физические основы термической обработки деталей машин в электролитах. Профессор Огневой В.Я. изучил механизм изменения структуры и свойств поверхностного слоя при трении.

Разработки алтайских  ученых нашли широкое практическое применение не только на предприятиях края, Российской Федерации, но и в  странах ближнего и дальнего зарубежья. Научная и техническая новизна разработок защищена патентами с приоритетом Российской Федерации, а результаты исследований широко опубликованы в академических и технических изданиях России, Англии, США, Германии, Югославии, Чили и в других странах мира.

 

Классификация материалов.

Назначение материала  определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии -прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки  в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки , волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы  принято классифицировать по основному  компоненту. Различают черную и цветную  металлургию. К материалам черной металлургии  принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Технические материалы  принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения. Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Содержание элементов в Земной коре.

Исторически для Техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь.

Содержание металлов и элементов  в Земной коре следующие:

Медь Сu = 0.01 %,   Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %,

Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %,

Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом  для использования в технике  является Алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение  в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Так как материальные ресурсы  Земли  ограничены, это  находит свое отражение  в формировании цен, перед машиностроением  всегда стоит задача расширения сырьевой базы и

сокращения затрат материалов на единицу техники.

Мировой объем производства основных материалов.

.Элементы, преимущественно  металлические, находятся в Земной  коре в виде окислов, нитридов, гидридов и гидратов, хлоридов  и т.п., для превращения минерального сырья в полуфабрикакты необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна, что положительно сказывается на их относительной стоимости. Мировой объем производства основных материалов следующий: стали = 700 мл. тон, конструкционного чугуна = 46 мл.тонн, пластических масс = 100 мл. тон., конструкционных стекла и керамики = 180 мл.тон. Отметим, что плотность пластмасс в 2-3 раза ниже, чем металлов, и в объемных процентах пластмасс выпускается в 2 раза больше других материалов. Отличительной особенностью современного машиностроения является расширение номенклатуры применяемых материалов. Среди металлических материалов мировой объем производства следующий: Алюминий = 12.2, Медь = 7.3, Цинк = 4.68, Свинец = 3.77, Никель = 0.52 (мл.тонн.). Наибольшие темпы роста производства у композиционных и порошковых материалов.

Свойства – характеристики, проявляющиеся в процессе применения и эксплуатации материалов, исключая их экономические показатели. Свойства можно разделить на две группы: эксплуатационно-технические и эстетические. Эксплуатационно-технические свойства обеспечивают необходимые защиту, прочность, долговечность здания, сооружения. Эстетические свойства материалов влияют на восприятие среды жизнедеятельности человека, в том числе внешнего вида зданий, сооружений и их интерьеров. Рассмотрим современные представления о физической сущности и значимости важнейших характеристик материалов.

1.1. Эксплуатационно-технические свойства

Характеристики  структуры. С этими характеристиками связаны показатели всех свойств материалов. Различают уровня структуры материала: макроструктура – строение, видимое невооруженным глазом, микроструктура – видимое в оптический микроскоп, и строение на молекулярно-ионном уровне.

К основным видам макроструктуры относят конгломератную, ячеистую, волокнистую, слоистую, рыхлозернистую (порошкообразную).

Конгломератная структура предлагает соединение разнородных веществ, обычно в виде зерен, кусков различных форм и размеров. Ячеистая структура характеризуется наличием макропор, у мелкопористых большинство ячеек гораздо меньших размеров (менее 1 мм). Волокнистая структура присуща материалам с природными или искусственными волокнами, расположенными в одном определенном направлении. Показатели свойств таких материалов заметно отличаются при физическом воздействии вдоль или поперек волокон. Слоистая структура соответственно предполагает наличие нескольких, в том числе разнородных, слоев. Рыхлозернистые (порошкообразные) структуры состоят из большого количества не связанных зерен или мелких частиц.

По микроструктуре выделяют кристаллические и аморфные материалы. Особенностью кристаллической структуры является определенная геометрическая форма модификаций кристаллов и известная температура плавления при постоянном давлении. Многие строительные материалы, как правило, поликристаллические.

Для качественной оценки структурных характеристик применяют  следующие специальные методы.

Методы рентгеноструктурного анализа основаны на явлении дифракции рентгеновских лучей кристаллической решеткой вещества. Для исследования строительных материалов применяют метод Дебая-Шеррера (метод порошков), учитывая, что все кристаллические вещества характеризуются определенными, только им присущими рентгенограммами.

Методы термического анализа связаны со способностью большинства физических и химических процессов выделять или поглощать теплоту и соответствующим изучением превращений вещества.

Сущность хроматографического анализа состоит в комплексе компонентов смеси твердым или жидким носителем и последующем извлечении вещества из носителя путем вымывания подходящим растворителем.

Применение люминесцентного анализа основывается на способности ряда компонентов строительных материалов и изделий (бетона, гипса и др.) флуоресцировать (светиться) при облучении ультрафиолетовым спектром. После удаления источника возбуждения свечение прекращается. Используя люминесцентный анализ, производят идентификацию веществ и обнаруживают их малые концентрации, контролируют происходящие в веществе изменения и определяют степень его чистоты.

Метод люминофоров предполагает использование специальных люминесцирующих веществ, способных ярко светиться при облучении ультрафиолетовыми лучами. Применяя этот метод, оценивают гомогенность многокомпонентных строительных материалов. Один из компонентов материала (например, песок) окрашивают тонким слоем люминофора и обрабатывают закрепителем. Оценку распределения меченого компонента можно производить визуально или, что более точно, с помощью фотоэлектронной установки.

Спектральный  анализ позволяет определить упорядоченные по длинам волн излучения различных элементов (спектры). На основе изучения молекулярных спектров можно установить химический состав веществ, из которых состоят строительные материалы.

Подавляющее большинство  современных материалов, кроме жестковязкого (твердого) вещества, содержат в структуре  поры – промежутки, полости, ячейки. Их количество и характер (размеры, распределение, открытые или закрытые) влияют на другие эксплуатационно-технические свойства. Поэтому пористость – важный и определяющий показатель структуры.