Значение курса материаловедение.

Значение курса материаловедение.

Для изготовления деталей и узлов машин и оборудований в машиностроении исп. самые различные материалы с очень широким спектром свойств. Эксплуатационные качества оборудования, его произв. и безопасность в знач. степени опр. правильным выбором материалов и технологии их обработки. Решение этой задачи не возможно без глубокого знания закономерностей изменения строения и свойств этих материалов, что и является предметом материаловедения. Мат - прикладная наука о взаимосвязи, строении с св-вах материалов, а также о путях получения необходимого комплекса св-в. В основе материаловедения лежат такие фундаментальные науки как физика, химия, теплотехника, термодинамика, кристаллография и др. науки. Материаловедение состоит из 3 больших разделов: -металловедение; -материаловедение не метал мат; -материаловедение композиционных материалов. Материаловедение – наука в большей степени экспериментальная, значительный объем информации получают либо в процессе производства тех. или иных деталей либо в результате спец. поставленного эксперимента и по этому идет постоянный объем информации между материаловедением как прикладной науки и промышленностью. Мат - поставляет производству новые материалы и разрабатывает оптимальные технологии их обработки. В свою очередь производство дает мат заказ на эти материалы, эксперемент. информ, а также обеспечивают новыми методами и приборами для исследований, следовательно мат- наука развивающаяся и развивается она совместно с производством, его требованиями и задачами.

Металлы. Основные признаки металлов.

Все металлы – тела кристаллические. В них сущ. закономерное расположение + ионов (дальний порядок) образующих кристаллическую решетку. В основе кристалл. строения металлов лежит металлический тип связи характеризующийся наличием большого кол-ва свободных электронов или электронного газа. Именно этой особенностью металл. связей и объясняются основные признаки металлов позволяющие отнести металлы к ед. классу. К этим признакам относят следующие: -высокая тепло и электропроводимость; - высокая отражающая способность и не прозрачность; - положительный терм. коэф сопротивления. Ряд металлов и сплавов обладают сверхпроводимостью; - высокая способность к термоэлектронной эмиссии (способность излучать Эл. с нагретой поверхности); - относительно высокая прочность при увеличении пластичности.

Классификация металлов

Большинство элементов в периодической системе – металлы. Все эти металлы обладают самыми разными св-вами, однако по ряду признаков все металлы и их сплавы могут быть разбиты на несколько классов и групп. Прежде всего различают класс черных металлов и класс цветных. К черным металлам относят железо и ряд металлов похожих на железо по след. признакам: 1)высокая твердость и прочность; 2)высокая t плавления; 3)ферромагнетизм; 4)полиморфизм.

К этим металлам относят: марганец, кобальт, хром, никель. Все остальные цветные.

По комплексу эксплуатационных и потр. св-в. металлы и их сплавы делятся на следующие группы: 1)легкие (низкая плотность) (Al,Ti,Zn,Mg,Be) 2)Легкоплавкие(t плавления <1539) (Pb, Sn, Al,Mq,Zn) 3)Тугоплавкие(t>1539)(W, Mo, V, Pt,Ti) 4)Благородные(высокая коррозионная стойкость) (Ag,Pt,Au) 5)Щелочно-земельные (высокая хим. активность) – I и II гр. 6)Редкоземельные (встречаются только в виде полиметаллов- лантаноиды) 7)Уравнение (склонность к радиоактивному распаду)- актиноиды.

Чистые металлы обладают не удовлетворительными мех. свойствами. Они либо очень мягкие и пластичные, либо твердые и хрупкие и по этому в качестве конструкционных материалов практически не используются. Основными констр. мат. явл. различные сплавы металлов др. с др. и с не металлами. Именно эти сложные вещ-ва могут иметь любые, сколь угодно сложные комплексы св-в требуемых в технике.

Механические св-ва и их классификация

Под мех свойствами подразумеваем реакцию материала под воздействием внешних механических сил. В зависимости от того как материал реагирует на это воздействие различают след. св-ва и соответствующие количественные характеристики этих свойств: 1)упругость – способность материала принимать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

σпр-предел пропорц.

σу- предел упругости

E-модуль Юнга

2)пластичность- способность материала изменять свою форму и размеры без разрушения.

σт-предел текучести

δ-относительное удлинение

ψ- относительное сужение

3)прочность – св-во материала сопротивляться разрушению

σвр- предел прочности

4)твердость- способность материала сопротивляться упругой деформации, пластической деформации или разрушению в поверхностном слое. Кол. характеристики мех. св-в в знач. степени опр. условиями их определения – схемой нагружения (раст-сж, изгиб, кручение) и законом изменения сил во времени. В зависимости от этого закона различают 3 варианта условий нагружения и соотв. испытаний мех. св-в материала.

Механические свойства, опр. при статических испытаниях.

Эти свойства определяются в условиях когда воздействующие силы неизменны или медленно изменяются во времени. Эти свойства определяются при статических испытаниях очень часто по схеме растяжения спец. образцов на испытательных (разрывных) машинах.

 

 

l₀,a₀,b₀-соответствующая нач. рабочая длина, нач. толщина, нач. ширина.

l_к,a_к,b_к-соотв. размеры после разрушения образца.

I участок линейной упругой деформации

Р_кр – усилие пропорц.

К-коэф. пропорц. (К=Е=tgα)

II участок нелинейной упругой деформации

III полка текучести

Р_т - усилие текучести

Р_вр - усилие прочности

Определение количественных характеристических статических мех. св-в производится после обработки диаграммы растяжения и обмера разрушенного образца путем перехода от абс. показателей усилия и деформации к относ. по след. формулам:

σ=P/S – переход от усилия к напряжению

δ=Δ/l0 – переход от Δàδ

I Упругость

σпр=Pпр/S0, где S0=a0/b0

σупр=Pупр/S0

E=tgα

II Пластичность

σт=Pт/S0

δ=((lк-l0)/l0)*100% - отн. растяжение

ψ=(S0-Sк)/S0*100% - отн. сжатие

III Прочность

σвр=Рвр/S0

6.Твердость. Способы определения твердости.

Исследование мех. св-в мет. и сплавов обычно начинается с определения их твердости.

Преимущество этого вида испытаний:

1.Можно производить без разрушения исследуемого образца

2)Процесс непродолжителен

3)Простота приборов и методик по сравнению с другими методами исследований.

4)Полученные результаты измерения твердости позволяют сделать выводы о других свойствах образцов, а так же предварительно сделать заключение о присутствии слоя химико-термической обработки.

В промышленности используются около 30 методов измерения твердости, однако можно выделить несколько основных: метод царапины, отскока, статического и динамического вдавливания. Оценки твердости исследуемых материалов полученные различными способами базирующимися на критериях, с различными физическим смыслом. Метод царапания характеризует сопротивление материала разрушению; твердость определяемая внедрением в материал более тела характеризует сопротивление пластической деформации. Твердость определяемая по высоте отскока наконечника или шарика от поверхности испытуемого образца характеризует упругие св-ва материала. Под твердостью понимаем св-в материала оказывает сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого более твердого тела, определенной формы и размера не получающий остаточную деформацию.

На практике применяются следующие способы измерения твердости

1)Вдавливание стального шарика (метод Бринелля) 2)Вдавливание алмазного конуса (метод Роквелла) 3)Вдавливание четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса)

Анизотропия в металлах.

Для идеальных кристаллов и монокристаллов характерно явление анизотропии, т.е. неоднородности св-в по различным направлениям. Это связано с разной плотностью расположения частиц в кристалле в различных направлениях и плоскостях. В обычных ме, которые в естественном состоянии явл. поликристаллами анизотропия на проявляется. Их называют квазинтрозотропными (видимо изотропными). Однако при некоторых технологических воздействиях (прокат, штамповка, ковка) в поликристаллах появляются предпостительная ориентировка структуры (текстуры) и сразу же возникает анизотропия. Это явление вредно и может быть устранено у поликристаллических материалов специальный термической обработкой – обжигом.

Полиморфизм металлов.

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах, или в разных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято обозначать буквой α, а при более высокой β, а затем γ и т.д.

Переход чистого металла из одной полиморфной модификации в другую в условиях равновесия протекает при постоянной температуре (при критической точке) и сопровождается выделением тепла, если превращение идет при охлаждении, и поглощением тепла – в случае нагрева. Как и при кристаллизации из жидкой фаз, для того чтобы полиморфное превращение протекало, нужно некоторое переохлаждение (или перенагрев) относительно равновесной температуры. Полиморфное превращение по своему механизму кристаллизационный процесс и осущ. путем образования зародышей и последующего их роста.

Сплавы и их фазовые сплавы. Общие положения.

Сплавами называются сложные вещ-ва образуемые из простых вещ-в - компонентов путем взаимодиффузии или смешивания в любом агрегатном состоянии. сплавы могут быть 2-х компонентными и много компонентными. Компоненты сплава вступают во взаимодействие и могут образовывать различные по строению и свойствам различные вещ-ва которые называются фазами. Фаза – это часть сплава имеющая:- одинаковое строение; - одинаковый состав; -одно и тоже агрегатное состояние;- границу раздела с другими частями сплава

Сплавы могут быть однофазные и многофазные. В металлических сплавах встречаются следующие фазы:

1)жидкое (жидкий р-р)

2)твердые фазы

Твердые растворы и их виды.

Твердый раствор- многокомпонентная фаза образующаяся при условии, что один компонент растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а другие компоненты теряют свою решетку и располагаются внутри кристаллической решетки растворителя. Основные признаки тв. растворов: 1.кристаллическая решетка и осн. св-ва тв. раствора передаются от компонента в растворитель 2. Тв. растворы всегда имеют первичный состав 3.Тв. растворы кристаллизируются (плавятся) в интервале t-p.

В зависимости от того, как атомы растворенного компонента располагаются внутри кристаллической решетки растворителя, различают тв. растворы замещения и тв. растворы внедрения. В тв. растворах замещения атомы растворенных компонентов замещают часть атомов растворителя в узлах кристаллической решетки. Эти растворы образуются когда атомные радиусы компонентов близки. Тв. растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. Неограниченная растворимость компонентов возникает при следующих условиях:

1)Атомные радиусы отличаются не >15%

2)В-ва – компоненты имеют одинаковые кристаллические решетки (изоморфны)

3)Компоненты принадлежат одной или соседним группам периодической системы. А(В)-развернутое обозначение тв. р-ра А(В)а – тв. р-р компонента В в компоненте А-растворитель; В -растворимое вещ-во. А(В)àА кристаллическая решетка тв. раствора такая же как у компонента А. А(В)àВ(А) непрерывный ряд тв. растворов

Твердые растворы внедрения возникают когда атомные радиусы компонентов очень сильно отличаются друг от друга. В этом случае растворимое вещ-во обладающее малым R располагается в межузельном пространстве (парах) внутри крст. решетки. Поскольку этих пар относительно немного, то твердые растворы внедрения всегда имеют ограниченную растворимость компонентов. В качестве растворимых вещ-в в этих растворах выступают вещ-ва с очень маленькими атомными радиусами: H, N, C, B.

Правило фаз.

Для проверки правильности полученных термокинетических кривых охлаждения, для решения обратной задачи построения этих кривых по уже известной диаграмме состояния а также для анализа фазовых состояний по диаграмме состояния используется правило фаз (Гиббса) которое устанавливает взаимосвязь между числом компонентов системы (сплава) число внешних переменных факторов, числом фаз находящихся в равновесии при данных условиях и числом степеней свободы системы.

с-степень свободы, т.е. число возможностей изменения внешних факторов

к- число компонентов системы (к=1 чистое вещ-во К>1 сплав)

в- число внешних переменных факторов (В=1 температура)

ф- число фаз находящихся в равновесии

С=К+В-Ф

с=0 – ни один внешний фактор не имеет право меняться. Система нонвариантная

с=1- без нарушения равновесия может меняться 1 фактор. Моновариантная

с=2,3,4… могут меняться 2,3,4 и т.д. факторов, при этом равновесие не будет меняться.

Учитывая то, что в большинстве случаев переменным фактором явл. только t, то правило фаз может быть упращено:

С=К+1-ф

Правило концентраций

Это правило позволяет определить концентрацию компонента Б в каждой фазе в двухфазных областях диаграммы. Для этого через данную точку проводится горизонтальная прямая (конода) до пересечения с границами двухфазной области. Проекция точки пересечения коноды с линией ликвидус на ось концентрации дает концентрацию компонента Б в жидкости, а проекция точки пересечения с линией солидус- в твердом растворе.

Правило отрезков.

Это правило позволяет определить количественное соотношение фаз (в %) в двухфазных областях. Для этого также проводится конода abc и далее количество каждой фазы рассчитывается по следующим пропорциям ж=(ав/вс)*100%

α=(вс/ас)*100%

Правило фаз, а также правило концентраций и правило отрезков позволяет однозначно расшифровать фазовый состав сплавов на любом сколь угодно сложных диаграммах состояния.

Значение курса материаловедение.

Для изготовления деталей и узлов машин и оборудований в машиностроении исп. самые различные материалы с очень широким спектром свойств. Эксплуатационные качества оборудования, его произв. и безопасность в знач. степени опр. правильным выбором материалов и технологии их обработки. Решение этой задачи не возможно без глубокого знания закономерностей изменения строения и свойств этих материалов, что и является предметом материаловедения. Мат - прикладная наука о взаимосвязи, строении с св-вах материалов, а также о путях получения необходимого комплекса св-в. В основе материаловедения лежат такие фундаментальные науки как физика, химия, теплотехника, термодинамика, кристаллография и др. науки. Материаловедение состоит из 3 больших разделов: -металловедение; -материаловедение не метал мат; -материаловедение композиционных материалов. Материаловедение – наука в большей степени экспериментальная, значительный объем информации получают либо в процессе производства тех. или иных деталей либо в результате спец. поставленного эксперимента и по этому идет постоянный объем информации между материаловедением как прикладной науки и промышленностью. Мат - поставляет производству новые материалы и разрабатывает оптимальные технологии их обработки. В свою очередь производство дает мат заказ на эти материалы, эксперемент. информ, а также обеспечивают новыми методами и приборами для исследований, следовательно мат- наука развивающаяся и развивается она совместно с производством, его требованиями и задачами.