birmaga.ru
добавить свой файл

1 2 ... 23 24
Кафедра: технология конструкционных материалов


Курс лекций
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

автор доцент В.М.Александров

Архангельск 2010

План лекций и распределение часов по разделам

курса Материаловедения



раздела

Название тем и их расшифровка

Кол-во часов

1.

Тема 1. Кристаллическое строение материалов.

1.1. Понятие о структуре металлов и сплавов.

1.2. Элементы кристаллографии.

1.3. Типы связей в кристаллических телах.

1.4. Фазовый состав сплавов.

1.5. Дефекты кристаллической структуры.

1.6. Структура не металлических материалов.
Тема 2. Кристаллизация сплавов.

2.1. Гомогенное зарождение кристаллов.

2.2. Гетерогенное зарождение кристаллов. Строение слитка.

2.3. Понятие об аморфном строении металлов.
Тема 3. Диаграммы состояния двух компонентных систем.

3.1. Методы построения диаграмм состояния.

3.2. Диаграммы состояния с эвтектическим, перитекти-

ческим и эвтектойдным превращением.

3.3. Связь между диаграммой состояния и физическими и

механическими свойствами сплава.

3.4. Диаграмма состояния Fe – C (Fe – Fe3C)

3.4.1. Кристаллизация сталей.

3.4.2. Структурообразования в сталях.

3.4.3. Структурообразования в чугунах.

3.5. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру

в сталях.

Тема 4. Влияние пластической деформации на структуру и свойства


металлов.

4.1. Механизмы пластической деформации.

4.2. Структура и свойства деформированного металла.

Наклёп.

4.3. Возврат и рекристаллизация.


8

2.

Тема 5. Термическая обработка металлов и сплавов.

5.1. Классификация видов термической обработки сплавов.

5.2. Оборудование для термической обработки.

5.3. Термическая обработка сплавов не связанная с фазовыми

превращениями в твёрдом состоянии.

5.4. Термическая обработка сплавов с переменной

растворимостью компонентов в твёрдом состоянии.

5.5. Термическая обработка сталей с эвтектойдным

превращением.

5.6. Превращение в сталях при нагреве.

5.7. Превращение аустенита при различных степенях

переохлаждения. Перлитное, мартенситное и

промежуточное превращения.

5.8. Основные виды термической обработки стали.

5.8.1. Отжиг сталей.

5.8.2. Нормализация сталей.

5.8.3. Закалка сталей.

5.8.4. Отпуск сталей.
Тема 6. Химико-термическая обработка сплавов.

6.1. Цементация сталей.

6.2. Азотирование сталей.

6.3. Диффузионное насыщение сплавов металлами и

неметаллами.


8

3

Тема 7. Конструкционная прочность материалов.

7.1. Критерии оценки конструкционной прочности

материалов. Прочность, надёжность, долговечность.

7.2. Методы повышения конструкционной прочности.

Тема 8. Конструкционные материалы.

8.1. Классификация конструкционных материалов.

8.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства

сталей.

8.3. Конструкционные материалы с различными

технологическими и механическими свойствами.

Автоматные, литейные, износостойкие,

антифрикционные, рессорно-пружинные материалы.

8.4. Цветные сплавы, неметаллические и композиционные

материалы.

Алюминиевые, медные, титановые, магниевые,

бериллиевые материалы, пластмассы.


8

4

Тема 9. Специальные стали и материалы с особыми физическими

свойствами.

9.1. Коррозионно-стойкие стали и сплавы.

9.2. Жаростойкие стали и сплавы.

9.3. Жаропрочные стали и сплавы.

9.4. Материалы с особыми магнитными, тепловыми и

электрическими свойствами.

6

5

Тема 10. Инструментальные материалы.

10.1. Стали для режущего инструмента.

10.2. Стали для измерительного инструмента.

10.3. Штамповые стали.

4


Введение
Материаловедение называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надёжности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путём. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развития материаловедения.

Электронная микроскопия тончайших металлических фольг и нейтронография позволяют изучать элементы кристаллической структуры, её дефекты и закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температуры, давлении др.).
Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твёрдость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учётом экономических требований.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские учёные. П.П.Аносов (1799 – 1851гг.) впервые установил связь между строением стали и её свойствами. Д.К.Чернов (1839 – 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С.Курнакова (1860 – 1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именем С.С.Штейнберга (1872 -1940 гг.), Н.А.Минкевича (1883 – 1942 гг.). Исследования механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских учёных С.Т.Конобеевского, А.А.Байкова, Г.В.Курдюмова, В.Д.Садовского, А.А.Бочвара, С.Т.Кишкина, Н.В.Агеева и многих других.

Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова (1828 – 1886 гг.), создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В.Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука.

Среди зарубежных учёных большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А.Ле-Шателье (Франция), Р.Аустен (Англия), Э.Бейн (США) и др.


Глава 1. Строение и свойства материалов.
В природе существуют две разновидности твёрдых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.
Аморфные тела при нагреве размягчатся в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние.
Кристаллические тела остаются твёрдыми, т.е. сохраняют приданную им форму, до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц (ионов, атомов, молекул), из которых они составлены – геометрический фактор.
Свойства кристаллов зависят:


  • От электронного строения атомов.

  • Характера взаимодействия их в кристалле.

  • От пространственного расположения элементарных частиц.

  • Химического состава.

  • Размера и формы кристаллов.


В зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления используют следующие понятия:

  • Тонкая структура.

  • Микроструктура.

  • Макроструктура.


Тонкая структура описывает расположение элементарных частиц в кристалле и электронов в атоме. Изучается дифракционными методами (рентгенография, элетронография, нейтронография). Анализируя дифракционную картину, получаемую при взаимодействии атомов кристалла с короткими волнами рентгеновских лучей можно получить обширную информацию о строении кристаллов. Такую мелкокристаллическую структуру наблюдают с помощью электронного микроскопа.
Микроструктура. Микроскопические методы дают возможность определить (объект изучения - шлиф, оборудование – микроскоп. Увеличение до 1400):
  • Размер и форму кристаллов.


  • Наличие различных по своей природе кристаллов.

  • Их распределение и относительные объёмные количества.

  • Форму инородных включений.

  • Микропустоты.

  • Ориентирования кристаллов.


Макроструктура. Макроанализ предусматривает изучения строения кристаллов невооружённым глазом или при небольших увеличениях с помощью лупы. Этот метод даёт возможность выявить:

  • Характер излома.

  • Усадочные раковины, поры.

  • Размер и форму крупных кристаллов

  • Трещины.

  • Химическую неоднородность (ликвацию).

Исследование макроструктуры, несмотря на свою простоту, является очень ценным методом изучения материалов.


1.1 Элементы кристаллографии.

Кристаллическая решётка. В кристалле элементарные частицы (ионы, атомы, молекулы), из которых построен кристалл, сближены до соприкосновения и располагаются различно, но закономерно по разным направлениям. Наименьший параллелепипед, в котором в узлах находятся элементарные частицы, называют элементарной ячейкой. Последовательное перемещение его образует пространственную кристаллическую решётку.

Для описания элементарной ячейки кристаллической решётки используют шесть величин: три отрезка – период решётки a, b, c, три угла между этими отрезками

α, β, γ. Соотношения между этими величинами определяют форму ячейки. По форме элементарных ячеек все кристаллы подразделяют на семь систем.



Кристаллические системы элементов


Система

Период (рёбра)


Углы

Триклинная

a ≠ b ≠ c

α ≠ β ≠ γ

Моноклинная

a ≠ b ≠ c

α = β = 90о γ ≠ 90о

Ромбическая

a ≠ b ≠ c

α = β = γ =90о

Ромбоэдрическая

a = b = c

α = β = γ ≠ 90о

Гексагональная

a = b ≠ c

α = β = 90о γ = 120о

Тетрагональная

a = b ≠ c

α = β = γ =90о

Кубическая

a = b = c

α = β = γ =90о


В большинстве случаев решётки сложны, так как элементарные частицы находятся не только в узлах кристаллической решётки, но и на её гранях или в центре решётки.

О степени сложности судят по числу частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку. В простой пространственной решётке всегда на одну ячейку приходится одна частица. На ОЦК ячейку – две частицы. На ГЦК ячейку – четыре частицы.
Система, период, число частиц, приходящихся на элементарную ячейку, полностью определяют расположение элементарных частиц в кристалле.

Дополнительные характеристики: координационное число и коэффициент компактности.


Координационное число – число ближайших и равноудалённых элементарных частиц. (К). Для ОЦК – К8. Для ГЦК – К12. Для простой кубической решётки – К6.

Коэффициент компактности – отношение объёма всех элементарных частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объёму элементарной ячейки.

Для простой кубической решётки – 0,52. Для ОЦК – 0,68. Для ГЦК – 0,74.
Оставшееся пространство образуют поры, которые дифференцируют на октаэдрические (восьмигранник) и тетраэдрические (четырёхгранник).
Кристаллографические индексы.
По параллельным направлениям свойства одинаковы, поэтому достаточно указать для всего семейства параллельных прямых одно направление, проходящее через начало координат (узел кристаллической решётки). Координаты этого узла выражают целыми числами u, v, w в единицах отрезков a, b, c, заключают в квадратные скобки [u, v, w ] и называют индексами направлений. Их всегда выражают целыми числами, а отрицательное значение обозначается знаком минусом над индексом.
Положение плоскости в пространстве определяется отрезками, отсекаемыми плоскостью по осям x, y, z. Эти отрезки выражают целыми числами m, n, p в единицах отрезков a, b, c. Принято за индексы плоскостей брать обратные отрезки:

h = 1/m; k = 1/n; l = 1/p. Три этих числа (h, k, l) заключённые в круглые скобки, называют индексами плоскостей. Если плоскость отсекает по осям отрицательные отрезки, то это отмечается знаком минус над соответствующим индексом.


Анизотропия. (греч. anisos неравный + tropos свойства)

Это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов (ионов, молекул) в пространстве. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства. Прочность и пластичность монокристалла изменяется в зависимости от направления. В природных условиях кристаллические тела – поликристаллы, т.е. состоят из множества мелких различно ориентированных кристаллов. В связи с этим поликристаллические тела считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением поликристалла кристаллографические плоскости одного индекса в различных зёрнах могут ориентироваться параллельно. Такие поликристаллы называют текстурованными, и они, подобно монокристаллам, анизотропны.


следующая страница >>