Лекция 1. Лекция 1 Тема Введение Рассматриваемые вопросы Цели, задачи, сущность, структура дисциплины
 Скачать 123.65 Kb.
|
|
Основы материаловедения ЛЕКЦИЯ № 1 Тема: Введение Рассматриваемые вопросы: Цели, задачи, сущность, структура дисциплины. Основные понятия и термины; ознакомление с разделами программы. Краткие исторические сведения о развитии материаловедения; его роль и значение в техническом прогрессе, при изучении других учебных дисциплин и профессиональных модулей. Оценить роль металлов в нашей жизни довольно просто – достаточно оглянуться и посмотреть вокруг себя. Металл повсюду. Кухонная утварь – ложки, вилки, ножи, кастрюли, сковородки – практически все из металла. Бытовая техника – стиральные машины, пылесосы, телевизоры, компьютеры – невозможна без металлов. Дома и улицы городов освещаются электричеством, которое подводится по металлическим проводам. Современные сооружения держатся за счет железобетонных конструкций. Между городами по стальным рельсам мчатся поезда, при создании которых использованы самые разные металлы, а по дорогам колесят машины, которые также во многом состоят из металлов. Корабли в море, самолеты в небе, ракеты и космические аппараты – все это просто невозможно без металлов и их сплавов. Да и странно было бы, если бы мы в нашей жизни обходились без того, что занимает весомую долю химической таблицы Менделеева. Разнообразные свойства металлов – их ковкость, прочность и пластичность – давно сделали жизнь людей намного комфортней, ведь металлы используются уже на протяжении многих тысячелетий в самых разных сферах человеческой деятельности, из которых, пожалуй, наиболее значимой является создание орудий труда. Орудий, с помощью которых человек активно преобразует окружающий мир, приспосабливая его под свои нужды. Недаром с древнейших времен высоко ценились те, кто умел обращаться с металлом и изготавливать из него эти самые орудия труда. Например, одна известная притча, созданная как минимум три тысячи лет назад, гласит следующее. Царь Соломон по окончании строительства Иерусалимского храма решил прославить лучших строителей и пригласил их во дворец. Даже свой царский трон уступил он на время пира лучшему из лучших – тому, кто особенно много сделал для сооружения храма. Когда приглашенные явились во дворец, один из них быстро взошел по ступеням золотого трона и сел на него. Его поступок вызвал изумление присутствующих. – Кто ты и по какому праву занял это место? – грозно спросил разгневанный царь. Незнакомец обернулся к каменщику и спросил его: – Кто сделал твои инструменты? – Кузнец, – ответил тот. Сидевший обратился к плотнику, столяру: – Кто тебе сделал инструменты? – Кузнец, – отвечали те. И все, к кому обращался незнакомец, отвечали: – Да, кузнец выковал наши инструменты, которыми был построен храм. Тогда незнакомец сказал царю: – Я кузнец. Царь, видишь, никто из них не мог бы выполнить свою работу без сделанных мною железных инструментов. Мне по праву принадлежит это место. Убежденный доводами кузнеца, царь сказал присутствующим: – Да, кузнец прав. Он заслуживает наибольшего почета среди строителей храма. Кузнец в древние времена был не просто человеком, обрабатывающим металл. Его сфера деятельности охватывала практически всю технологическую цепочку от поиска и добычи руды до создания готовых изделий из металла, который выплавлялся из этой руды. И тех, кто видел его за работой, конечно же, поражало то, что кузнец (он же металлург по сути) получал ценные вещи практически «из ничего» – из куска какого-то камня. Поэтому у многих народов кузнец-металлург считался чуть ли не чародеем, а сама профессия была очень почетной. С кузнецом не положено говорить на «ты», – уважительно отмечает финская поговорка. По свидетельству английского ученого и публициста Бэзила Дэвидсона, оседлые земледельческие племена Африки почти повсюду считали кузнецов почетной кастой, а часто даже привилегированным сословием. Дэвидсон приводит также слова одного из исследователей о том, что в некоторых районах Зулуленда (бывшего государства зулусов на юге Африки) профессия кузнеца не только считается одной из самых почетных, но и окружена почти мистической таинственностью. Немецкий этнограф Юлиус Липе сообщает, что в некоторых африканских государствах, расположенных южнее Сахары, царям часто было совершенно необходимо знать кузнечное дело. Так в одном из больших государств на территории Конго в средние века царя избирал совет вельмож. Избирали, конечно, не из простых людей. Но любой кандидат, который хотел стать царем, должен был доказать, что он является хорошим кузнецом. Ясно, что для столь многогранной деятельности, какую нужно было совершить на пути от руды до готового металлического изделия, кузнец-металлург должен был обладать колоссальным знанием, которое чаще всего передавалось из поколения в поколение. Поэтому у многих древних народов кузнецом мог стать только тот, среди предков которого уже были кузнецы. Обыкновенный человек не мог взяться за это священное ремесло. Конечно, самые древние инструменты из металла еще не обладали теми характеристиками по твердости и прочности, какими обладают современные изделия. Но и они, как выясняется, весьма успешно могли конкурировать с каменными орудиями труда. Цели, задачи, сущность, структура дисциплины. Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1). Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).  Рис. 1 - Положение металловедения в общей структуре наук Основные задачи материаловедения: раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации; установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов; изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий; изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения; дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий. Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку. Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 2):  Рис. 2 - Схема связей между характеристиками материала Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь: правильно выбрать материал для изделия; назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств; оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов; определять опытным путем основные характеристики материалов. Задачей прикладного материаловедения является изыскание оптимальной структуры и технологии переработки материалов при изготовлении различных конструкций, отдельных деталей машин и других технических изделий. Большое значение имеет совершенствование металлообрабатывающей технологии, достигаемое за счет применения новых более эффективных инструментальных материалов, расширения использования новых методов объемного деформирования металлов, новых методов сварки, поверхностного упрочнения, порошковой металлургии, лазерной и других прогрессивных технологий. Достижения материаловедения, применяемые новые конструкционные материалы во многом определяют работоспособность машин, их надежность и долговечность. Рациональный выбор материалов и технологии их переработки в изделия в значительной мере предопределяет возможность эксплуатации машин и механизмов в течение заданного периода времени. Материаловедение позволяет составлять научно-обоснованный прогноз изменения свойств материалов при различных условиях эксплуатации. Актуальной проблемой является защита материалов от химического взаимодействия с окружающей средой, агрессивность которой существенно возросла вследствие усиления производственно-хозяйственной деятельности человека. Значительных размеров достигают затраты на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Поэтому знание закономерностей изменения свойств материалов во времени в условиях эксплуатации имеет большое техническое и экономическое значение, так как позволяет прогнозировать работоспособность различных объектов техники. Активное вмешательство человека в природные процессы обуславливает внимание науки к защите окружающей среды, выявлению и использованию вторичных энергетических, материальных и сырьевых ресурсов. Эта проблема в значительной степени может быть решена также средствами материаловедения. Многие современные достижения в области материаловедения и технологии производства материалов позволяют решать одну из важнейших проблем машиностроения – уменьшения эффективной массы, т.е. массы, приходящейся на единицу мощности или производительности машины. Это обусловливает разработку и использование материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плотностью. Такие материалы особенно необходимы в транспортном машиностроении и в космической технике. Именно достижения материаловедения в значительной степени способствовали освоению космоса. Таким образом, роль материалов в деятельности человека и современные достижения материаловедения и технологии производства материалов позволяют считать эти дисциплины одними из главнейших, обусловливающих успешное развитие науки, техники и экономики. Основные понятия и термины; ознакомление с разделами программы. Основные разделы материаловедения: Строение и свойства материалов Сплавы железа с углеродом Конструкционные и инструментальные материалы Неметаллические материалы Основные способы получения и обработки конструкционных материалов Основные понятия материаловедения. Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Любой компонент конструкций или сооружений подвергается нагрузкам как со стороны других компонентов, так и со стороны внешней среды. Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы. Неметаллические материалы:резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы. Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики). Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д. Техника создания материалов положена в основу классификации по структуре. Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово. Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы. Металлы– вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы. Простые металлы– металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов. Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами. Краткие исторические сведения о развитии материаловедения; его роль и значение в техническом прогрессе, при изучении других учебных дисциплин и профессиональных модулей. Первый этап — период с глубоких времен до н.э. (Рождества Христова) — использование материалов на основе природного камня, древесины и растений {природных материалов), подавляющая часть которых построена из неорганических (безуглеродных) и органических (углеродных) природных полимеров. Этот этап характеризуется минимальным технологическим воздействием человека на природные материалы — на уровне механической их обработки с целью придания нужной формы (наконечник копья, скребок, лезвие и т.д.) или свойств (механическое воздействие на растения с целью получения волокон для тканей и одежды и т.д.). Второй этап начинается приблизительно 28 000 лет назад (но не менее чем 12 000 лет до н.э. или 14 000 лет в целом по результатам анализов наиболее древнего черепка керамики, обнаруженного в русле р. Нил в Египте). Он был связан с наличием больших запасов глин в Египте и Месопотамии. В этот период была разработана технология формования из неорганической пластмассы на основе глины (полиалюмосилоксан) пластифицированной водой различных изделий, которые после сушки подвергались воздействию огня с превращением в керамику (неплавкое, прочное и нерастворимое в воде тело — материал). Фаянс как одна из разновидностей керамики (изготавливаемый из состава подобного фарфору, но с пористостью до 30%) известен приблизительно с 9-го тысячелетия до н.э. (т.е. около 11 000 лет). Это этап начала использования искусственных материалов.  Рис. 3 - Эволюция материаловедения Третий этап начинается приблизительно с 8-го тысячелетия до н.э. (около 10 000 лет), характеризуется началом использования самородных металлов (меди) с целью изготовления из них (переработки) необходимых изделий взамен каменных. Более 3,5 тыс. лет до н.э. египтяне впервые выплавили железо (видимо, в качестве побочного продукта рафинирования меди) и стали использовать его для изготовления украшений. Раскрыт первый секрет получения главного металла цивилизации. Четвертый этап начинается приблизительно с 5-го тысячелетия до н.э. Он связан с использованием на практике первых вяжущих веществ, которые твердеют при нормальной температуре с образованием камнеподобных материалов. Пятый этап можно датировать приблизительно 2,2 тыс. лет до н.э. Жители Северо-Западного Ирана изготовили первое стекло. Появился второй (после керамики) основной неметаллический материал цивилизации. По другим данным, первое датированное упоминание непрозрачного голубого стекла с покрытием из прозрачного зеленого стекла относится к 3064 г. до н.э. Так, в Египте стекла широко применялись для специальных ритуальных орнаментов, украшений и т.д. в период правления фараонов Тутмоса III (1900 г. до н.э.) и Тутанхамона (1300 г. до н.э.). В соответствии с записями на глиняных табличках промышленное производство стекла было начато в Сирии (1700 г. до н.э.) и далее распространилось в Египет и Палестину. Рецепты и способы получения стеклянной глазури (покрытия по керамике) описаны в текстах, датируемых 1600 г. до н.э., найденных при раскопках городов в Месопотамии. Однако известно, что прозрачные силикатные стекла использовались в Египте приблизительно с 12-го тысячелетия до н.э. в качестве глазурей амулетов, бус и фигурок священных жуков-скарабеев. Шестой этап, начавшийся с середины XIX в. н.э., ознаменован появлением первых искусственных органических (углеродных) полимерных материалов, когда в 1844 г. Ч. Гудиер придумал способ вулканизации серого природного каучука и получения резины. И в этот же период наступил век синтетических полимеров (типа полиэтилена, полистирол, поликарбонаты и т.д.), не существующих в природе. Материаловедение относится к числу основополагающих дисциплин для машиностроительных специальностей. Это связано с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения. Материаловедение является основой для изучения многих специальных дисциплин. Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. Материалы обладают отличающимися друг от друга свойствами, причем каждое зависит от особенностей внутреннего строения материала. В связи с этим материаловедение как наука занимается изучением строения материала в тесной связи с их свойствами. Основные свойства материалов можно подразделить на физические, механические, технологические и эксплуатационные. От физических и механических свойств зависят технологические и эксплуатационные свойства материалов. Среди механических свойств прочность занимает особое место, так как прежде всего от нее зависит неразрушаемость изделий под воздействием эксплуатационных нагрузок. Учение о прочности и разрушении является одной из важнейших составных частей материаловедения. Оно является теоретической основой для выбора подходящих конструкционных материалов для деталей различного целевого назначения и поиска рациональных способов формирования в них требуемых прочностных свойств для обеспечения надежности и долговечности изделий. Вопросы для контроля: Что такое материаловедение? Что является основной задачей материаловедения? Что является актуальной проблемой материаловедения? С какими науками тесно связано материаловедение? Что можно сказать про роль металла в жизни человека? Сколько этапов эволюции машиностроения можно выделить? Почему нельзя представить развитие научно-технического прогресса без изучения материаловедения? |