Основы материаловедения

1. Основы материаловедения

Преподаватель:
Зольников Александр
Евгеньевич

2.

Содержание:
Введение
– Материаловедение как наука о связях между составом и свойствами материалов,
закономерностях их изменений вследствие физико-механических и других видов
воздействий. Проведение классификации материалов по различным признакам
Строение металлов
– Атомно-кристаллическая структура металлов. Типы кристаллических ячеек. Анизотропия
металлов. Процесс кристаллизации
Группы свойств металлов (конструкционных материалов). Физические свойства
металлов и сплавов
– Свойства конструкционных материалов. Физические свойства, единицы измерения.
Существующие методы исследования металлов и сплавов, применяемых в контрольноизмерительных приборах и автоматике.
Химические свойства металлов и сплавов
– Общие характеристики. Коррозия металлов, виды коррозионных разрушений металлов и
сплавов. Химическая коррозия. Электрохимическая коррозия. Методы защиты металлов
от коррозии. Металлические, неметаллические, химические покрытия.
Механические свойства металлов и сплавов
– Напряжения и виды деформаций, возникающие в деталях машин и механизмов.
Прочность, пластичность и твердость конструкционных материалов

3.

Содержание:
• Технологические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов
– Технологические свойства: свариваемость, деформируемость, жидкотекучесть,
и др. Эксплуатационныесвойства: износостойкость, циклическая вязкость,
демпфирование.
• Методы выявления дефектов без разрушения деталей
– Неразрушающие методы контроля. Радиационный и акустический методы
контроля
• Характеристика и виды сплавов
– Сплавы. Фазы (жидкая и твердая). Механическая смесь. Твердые растворы.
Химические соединения. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов
• Железоуглеродистые сплавы
– Железо, его кристаллическая решетка, зоны хрупкости железа. Характеристика
железоуглеродистых сталей. Фазы и структуры железоуглеродистых сталей
• Влияние химических элементов на свойства железоуглеродистых сплавов
– Полезные, вредные и постоянные (технологические) примеси. Углерод.
Кремний и марганец. Сера и фосфор.

4. Материаловедение

• Материаловедение - наука, изучающая связь между структурой и
свойствами материалов, а также их изменение при внешних
воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т. д.).
• Наука о материалах - одна из древнейших наук, создалась усилиями
плеяды отечественных и зарубежных ученых и аккумулировала
многовековой опыт создания и использования материалов для нужд
общества и обеспечения научно-технического прогресса.
• Задачи материаловедения - установление закономерности
взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы
целенаправленно воздействовать на них при переработке в товарный
продукт, а также для создания материалов с заданным комплексом
свойств.

5. Теоретическое и прикладное материаловедение

• Теоретическое
• Прикладное
материаловедение
материаловедение
изучает общие
изучает частные
закономерности
вопросы изменения и
строения материалов
формирования
и процессов,
структуры и свойств в
приводящих к
процессе переработки
изменению их
материалов при
строения и свойств
производстве
при внешних
товарных продуктов.
воздействиях.

6. Структура материалов

• Строение материалов характеризует их
структура - совокупность устойчивых
связей материала, обеспечивающих его
целостность и сохранение основных
свойств при внешних и внутренних
изменениях

7. Структура материала

Под структурой материала подразумевается его макроскопическое и (или)
микроскопическое строение.
Макроструктурой называют строение металлов и сплавов, видимое
невооруженным глазом или с помощью лупы на шлифованных или
протравленных образцах.
Микроструктура - строение металлов и сплавов выявляемое с помощью
микроскопа на шлифованных или протравленных образцах.
Субструктура - это структура монокристалла или зерна выявленная с
помощью электронных микроскопов, увеличивающих изображение в 1000 и
более раз; характеризуется размером и формой включений, блоков и
двойников, распределением и плотностью других дефектов кристаллического
строения.

8. Свойства материалов

• Свойство - категория, отражающая
различия или общность материалов.
• Теоретическое материаловедение изучает
общие закономерности строения
материалов и процессов, приводящих к
изменению их строения и свойств при
внешних воздействиях.

9. Свойства материалов

• Свойства материалов определяют область их использования.
Наиболее часто потребителей в первую очередь интересуют
механические и физико-химические свойства.
Механические свойства:
прочность, пластичность,
твердость, ударная вязкость,
выносливость, ползучесть,
износостойкость,
вязкость, хладоломкость
Физические свойства:
Плотность
Удельная теплоемкость
Теплопроводность
Тепловое расширение
Электропроводность
Технологические свойства:
Пластичность, Ковкость ,Усадка
Жидкотекучесть, Износостойкость
Свариваемость ,Коррозионная стойкость
Обрабатываемость резанием
Эксплуатационные свойства:
Износостойкость, Коррозионная
стойкость
Жаростойкость, Жаропрочность
Хладостойкость
Антифрикционность

10. Твёрдость

• Твёрдость является механической
характеристикой материалов,комплексно
отражающей их прочность, пластичность,а
также свойства поверхностного слоя
образцов.

11. Прочность

• Прочность - свойство материала
сопротивляться разрушению, а также
необратимому изменению формы под
действием внешних нагрузок. Она
обусловлена силами взаимодействия
атомных частиц, составляющих материал.

12. Обрабатываемость давлением

• Методы оценки обрабатываемости
давлением зависят от вида материала и
технологии их переработки.
• Испытания на изгиб
• на выдавливание

13. Механические свойства

• Механические свойства оценивают
способность материалов сопротивляться
механическим нагрузкам

14. Электропроводимость

• Электропроводимость - Свойство
материалов проводить электрический ток,
обусловленное наличием в них подвижных
заряженных частиц-носителей тока.

15. Электрическое сопротивление

• Электрическое сопротивление -свойство
материалов как проводников
противодействовать электрическому току.
• Сверхпроводимость - свойство некоторых
веществ (сверхпроводников), состоящее в
том, что их электрическое сопротивление
скачком падает до нуля при охлаждении
ниже характерной для данного материала
критической температуры.

16. Поляризация диэлектриков

• Смещение электрических разрядов в
диэлектриках под действием внешнего
электрического поля.
• Диэлектрические потери - часть энергии
переменного электрического поля
необратимо преобразующейся в теплоту в
диэлектрике.

17. Жаростойкость

• Свойство материалов,заключающееся в
том,что их механические параметры
сохраняются или лишь незначительно
изменяются при высоких температурах.

18. Жаропрочность

• Свойство материалов длительное
время сопротивляться
деформированию и разрушению при
высоких температурах.

19. Теплоёмкость

• Отношение количества теплоты,полученной
теплом при бесконечно малом изменении
его состояния в каком-либо процессе,к
вызванному последним приращению
температуры.
• Удельная теплоемкость - отношение
теплоемкости к массе тела.

20. Теплопроводность

• Перенос энергии от более нагретых
участков к менее нагретым в результате
теплового движения и взаимодействия
микрочастиц.
• Коэффициент теплопроводности является
мерой теплоизоляционных свойств
материалов.

21. Свариваемость

• Свойство материала образовывать сварные
соединения,работоспособность которого
соответствует качеству основного
материала,подвергаемого сварке.

22. Конструкционная прочность

• Параметром комплексной характеристики
может служить конструкционная
прочность, включающая набор
механических и пластических
параметров, или жаропрочность,
оцениваемая окалиностойкостью и
параметрами прочности при повышенной
температуре

23. Сопротивление усталости

Многие характеристики связаны с периодом эксплуатации изделия.
Сопротивление усталости определяет допустимые напряжения, которые
выдерживает материал до разрушения за определенное число циклов
изменения нагрузки;
ползучесть связана с длительностью действия нагрузки;
химическая стойкость и износостойкость оценивается по количеству
расходуемого материала за определенное время;
радиационная прочность - временной стойкостью материалов к
радиоактивному излучению.
Временной фактор является определяющим при нахождении сопротивления
коррозии и эрозии.

24. Классификация материалов

• Классификация материалов - система соподчиненных
понятий в области материаловедения, используемая для
установления связей между группами материалов. Она
отражает объективные закономерности, изучаемые
материаловедением.

25. Общий признак классификации материалов

Самым общим признаком классификации материалов является состав их
атомов и молекул.
На основе этого все материалы можно разделить на простые и сложные.
Простые материалы состоят из веществ, образованных атомами одного
элемента. Примером таких веществ может быть графит, алмаз, сера и др.
Сложные материалы образованы из молекул, состоящих из атомов
различных элементов - сплавы, древесина, вода, стекло и т.п. сложные по
химическому составу материалы делятся на неорганические и органические.
К органическим материалам относятся все сложные материалы, в основе
которых находятся соединения углерода, а к неорганическим - все остальные.

26. Классификация материалов по функциональному признаку

По функциональному признаку материалы могут подразделяться на две
большие группы: основные и вспомогательные.
Основные материалы обеспечивают заданные технические характеристики
изделий - машин, механизмов, сооружений, изделий и т.п. - прочность,
мощность, скорость, устойчивость конструкции и т.д.
Вспомогательные материалы обеспечивают параметры сооружений и
агрегатов в процессе их эксплуатации (материалы для смазки узлов трения,
для охлаждения, для защиты от эрозии и коррозии), от физического и
химического воздействия, для декоративной отделки и обеспечения
эстетических параметров и требований дизайна и т.д.

27. Другие группы классификационных признаков материалов

• По назначению (по промышленным секторам, объектам
производства);
• По технологичности обработки и сборки (материалы для
деформации, литья, резания);
• По степени готовности к использованию (сырье, полуфабрикаты);
• По отношению к выработке готовой продукции (основной материал,
материал для вспомогательной обработки);
• По уровню эффективности применения ( оптовые цены,
технологичность, серийность);
• По ресурсопригодности и дефицитности, по возможности замены на
другие материалы;
• По степени безопасности использования;
• По экологическим параметрам.

28. Классификация материалов по назначению

• Классификация материалов по назначению
исходит из состава функций, которые
выполняет материал
обеспечение конструкционной прочности,
звукоизоляции, коррозионной стойкости,
сохранности продукта - тара, упаковка, защита от
излучений.

29. По технологичности обработки и сборки

• Разделение материала по технологичности
обработки и сборки учитывает трудоемкость
получения деталей, узлов, агрегатов и связано с
показателями себестоимости изделия.
Некоторые материалы получают склеиванием,
некоторые давлением, другие - методами литья
или сварки.

30. По степени готовности материалов к использованию

Степень готовности материала к использованию определяется его
геометрическими размерами и формой, состоянием поставки.
Для придания изделию требуемых свойств и формы, материалы
подвергаются дополнительной обработке (механической, пропитке, нагреву,
дроблению, спеканию и др.) которая существенно влияет на затраты труда,
времени, расход материалов.
По степени готовности материалы подразделяют на четыре группы:
• Сырье и полуфабрикаты, которые в дальнейшем используют как
материалы;
• Материалы для получения полуфабрикатов и изделий или
используемые в качестве сырья для другого материала;
• Полуфабрикаты для изготовления готовой продукции;
• Готовые изделия, используемые для комплектации более сложной
продукции.

31. Классификация материалов по отношению к выработке готовой продукции

• Классификация материалов по отношению к
выработке готовой продукции предполагает их
разделение на основные и вспомогательные, не
влияющие и влияющие на режимы обработки или
стойкость инструмента.

32. Разделение материалов по уровню эффективности

• Разделение материалов по уровню
эффективности применения исходит из
капитальных и текущих затрат на получение и
обработку, технического уровня производства,
качества сырья и т.п.

33. Деление материалов по степени безопасности и по экологическим параметрам

• Деление материалов по степени безопасности и по
экологическим параметрам предусматривает
возможность оценки ущерба от негативного воздействия
на здоровье человека и окружающую среду.
Классификация по ресурсопригодности и дефицитности
по возможности замены на другие материалы,
учитывает частоту ремонта изделий, конъюнктуру на
рынке материалов.

34. Кристаллическая решетка

Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в
пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и
проходящие через их центры, относительно которых они совершают
колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной
геометрической формы — кристаллическая решетка.
Элементарная ячейка- элемент объема из минимального числа
атомов, многократным переносом которого в пространстве можно
выстроить весь кристалл.
34

35. Типы кристаллических решеток

Ионная
В узлах решётки ионы (+ и –
заряженные), между которыми
существует ионная сязь
Свойства веществ:
1) относительно высокая твердость,
прочность
2) хрупкость
3) термостойкость
4) тугоплавкость
5) нелетучесть
Примеры: соли (NaCl), основания (
NaOH), некоторые оксиды
типичных металлов
35

36. Атомная кристаллическая решётка

алмаз
графит
В узлах решётки отдельные
атомы.
Химическая связь ковалентная
Свойства веществ:
1) высокая твердость,
прочность
2) высокая Тпл.
3) тугоплавкость
4) практически нерастворимы
5) нелетучесть
Примеры: углерод в форме
алмаза, графита; бор и др.

37. Металлическая кристаллическая решётка

В узлах решётки атомы и ионы
(+)
Химическая связь металлическая
Свойства веществ:
1) металлический блеск
2) тепло- и электропроводность
3) ковкость и пластичность
4) непрозрачность
Примеры: Все металлы (Na, Ca,
Fe…, кроме Hg), сплавы и т.д.

38. Молекулярная кристаллическая решётка

йод I2
Свойства веществ:
1) малая твердость, прочность
2) низкие Тпл, Ткип,
3) при комнатной Т обычно
жидкость или газ
4) высокая летучесть
Примеры:
углекислый газ СО2
Ковалентная
неполярная:
Ковалентная
полярная:
Большинство
неметаллов (H2,N ,O ,
Cl , P4, S 8 и т.д., кроме
Si и C)
Большинство
неорганических и
органических веществ
(H O, HCl, H S)

39. Три типа строения кристаллических решеток

1. Кубическая объемноцентрированная (ОЦК)
2. Кубическая гранецентрированная (ГЦК);
3. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
Основными характеристиками кристаллических решеток являются:
1) период решетки а и с - расстояния между центрами ближайших атомов. Для
большинства металлов период решетки составляет 0,1 - 0,7 нм;
2) координационное число - число атомов, находящихся на ближайшем и
равном расстоянии от данного атома. Чем оно выше, тем больше плотность
упаковки атомов. Для кубической ячейки координационное число
обозначается буквой К, а гексагональной - Г.
3) базис - это количество атомов, приходящееся на одну элементарную ячейку,
39
обозначается буквой n.

40. Кристаллизация

• Кристаллизация – это процесс образования
участков кристаллической решетки в жидкой фазе и
рост кристаллов из образовавшихся центров.
• Кристаллизация протекает в условиях, когда
система переходит к термодинамически более
устойчивому состоянию с минимумом свободной
энергии.
• Процесс кристаллизации протекает в две стадии:
1) Образование центров кристаллизации,
2) Рост кристаллов вокруг этих центров

41. Кривая охлаждения чистого металла

До точки 1 охлаждается металл в жидком
состоянии, процесс сопровождается плавным
понижением температуры. На участке 1 – 2
идет процесс кристаллизации,
сопровождающийся выделением тепла,
которое называется скрытой теплотой
кристаллизации. Оно компенсирует
рассеивание теплоты в пространство, и
поэтому температура остается постоянной.
После окончания кристаллизации в точке 2
температура снова начинает снижаться,
металл охлаждается в твердом состоянии.
При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают
образовываться кристаллики – центры кристаллизации или зародыши. Для начала
их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае
зародыш растворяется.

42. Кристаллизация

• Процесс вначале ускоряется, пока столкновение
кристаллов не начинает препятствовать их росту. Объем
жидкой фазы, в которой образуются кристаллы
уменьшается. После кристаллизации 50 % объема
металла, скорость кристаллизации будет замедляться.
• При равновесной температуре кристаллизации ТS число
образовавшихся центров кристаллизации и скорость их
роста равняются нулю, поэтому процесса
кристаллизации не происходит.
• Если металл очень сильно переохладить, то число
центров и скорость роста кристаллов равны нулю,
жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное
тело.