Материаловедение ответы. Материал. Материаловедение
 Скачать 48.42 Kb.
|
Материалом называется вещество, обладающее необходимым комплексом свойств для выполнения заданной функции отдельно или в совокупности с другими веществами. Материаловедение – это раздел научного знания, посвящённый свойствам веществ и их направленному изменению с целью получения материалов с заранее заданными рабочими характеристиками. Данный раздел опирается на фундаментальную базу всех разделов физики, химии, механики и отдельных разделов смежных дисциплин и включает современные разделы наукоёмких технологий получения, обработки и применения материалов. Основу материаловедения составляет знание о процессах, протекающих в различных материалах под действием различных факторов. По влиянию этих факторов на свойства материалов в комплексе, о способах контроля и управления свойствами.
Все материалы по химической основе делятся на две группы: металлические и неметаллические (кремний, сера, фосфор). К металлическим материалам относят чистые металлы (железо) и их сплавы (сталь, чугун). Металлы составляют примерно 4/5 доли от всех известных материалов. Металлические материалы делят на две группы: цветные (алюминий, медь, магний, титан) и чёрные(железо и сплавы на его основе).
Твердые вещества по взаимному расположению атомов делят на аморфные и кристаллические. К аморфным относят вещества, атомы которых расположены в пространстве хаотично (стекло, смола, канифоль и др.). Кристаллическими называют вещества, в которых атомы располагаются в строго определённом порядке. Все металлы относятся к кристаллическим материалам. Виды кристаллических решёток:
Атомы в решётке располагаются на определённых расстояниях. При этом выделяют расстояния между центрами атомов, находящихся в центрах соседних узлов решётки. Эти расстояния называют параметрами или периодами сетки. Их величина очень мала и измеряется в нанометрах. Для большинства металлов период решётки лежит в пределах от 0,2 до 0,7 нм. Кубические решётки характеризуются одним параметром: длиной ребра куба. Гексагональная – двумя параметрами. Объём, который занимают атомы, характеризует координационное число и коэффициент компактности. Координационным числом называют количество атомов, которые располагаются на наименьшем равном расстоянии от некоторого атома. Для объёмно-центрированной решётки такое минимальное расстояние равно половине диагонали куба, а координационное число равно 8-ми. Для гранецентрированной решётки расстояние равно половине диагонали грани куба и координационное число равно 12-ти. Для гексагональной плотноупакованной решётки координационное число также равно 12-ти. Коэффициент компактности - это соотношение объёма атомов к объёму всей решётки. В объёмно-центрированной кубической решётке атомы занимают 68%. В гранецентрированной кубической и гексагональной плотноупакованной – 74%.
Особенности кристаллического строения металлов определяют их свойства. Электроны, которые находятся на внешних атомных оболочках, теряют связь со своими ионами. Происходит образование свободных электронов, не принадлежащих отдельным атомам, так называемого электронного газа. Ионы располагаются в узлах кристаллической решётки. Между ионами и свободными электронами возникают силы притяжения, которые стягивают ионы, такую связь называют металлической. Эта связь объясняет характерные свойства металлов. В металлах расстояние между атомами значительно меньше, чем в неметаллах, поэтому металлы имеют большую плотность. Благодаря свободным электронам при пластической деформации связь между ионами не нарушается и разрушение кристаллической решётки не происходит. Это объясняет высокую пластичность металлов. Кроме того, наличие свободных электронов обуславливает высокую электро- и теплопроводность. С понижением температуры ослабляются колебания ионов, что приводит к повышению электропроводности, а в некоторых случаях сверхпроводимости. При повышении температуры, электропроводность наоборот снижается. Металлический блеск объясняется взаимодействием световых волн со свободными электронами.
Реальный кристаллический металл всегда имеет большое число дефектов кристаллического строения, которые нарушают периодичность атомов в решётке. Эти дефекты в значительной степени определяют свойства металлов. По геометрическим признакам дефекты подразделяются на: точечные, линейные и поверхностные.
Кроме перечисленных, в металлах имеются макроскопические объёмные дефекты, к ним относят: поры, трещины, газовые пузыри и неметаллические включения.
Одной из важнейших особенностей металлов является неоднородность свойств в различных направлениях кристаллической решётки, это анизотропия. Она объясняется неодинаковой насыщенностью атомами различных плоскостей решётки и неодинаковыми межатомными расстояниями. Различие свойств может быть значительным. Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов, так называемых монокристаллов.
Пространственные кристаллические решётки образуются в металле при переходе из жидкого состояния в твёрдое. При этом процесс кристаллизации влияет на итоговые свойства металлов. Реальная кристаллизация протекает с переохлаждением, то есть металл при идеальной температуре кристаллизации остаётся жидким и его кристаллизация начинается при более низкой температуре. Вещества, которые специально вводят в расплавленный металл для уменьшения размера зёрен (добавочные центры кристаллизации), называются модификаторами, а сам процесс – модификацией.
Некоторые металлы в зависимости от температуры могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизмом. Различные формы называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической решётки к другой называется полиморфным превращением. Эти превращения протекают при определённых температурах. Полиморфные превращения протекают в железе, олове, титане, кобальте и других металлах. Медь и алюминий не претерпевают полиморфных превращений.
Исследования структуры металлов и сплавов позволяют определить их пригодность к эксплуатации в различных условиях работы. К основным методам исследования структуры металлов относят: макроанализ, микроанализ, рентгеновский анализ, термический анализ, магнитную дефектоскопию, ультразвуковую дефектоскопию, спектральный химический анализ и дефектоскопию с использованием радиоактивных изотопов.
Существует два вида деформации: упругая и пластическая. При упругой деформации происходит обратимое смещение атомов от положения равновесия в кристаллической решётке. После снятия нагрузки атомы под действием сил межатомного взаимодействия возвращаются в исходное состояние. При пластической деформации происходит необратимое перемещение атомов на значительное расстояние от положения равновесия. Процесс пластической деформации представляет собой сдвиг одной части кристалла относительно другой.
В зависимости от наличия пластической деформации перед разрушением сплава различают хрупкое и вязкое разрушение. Разрушение, перед которым в металле происходит значительная пластическая деформация, называют вязким. Если деформация незначительна или полностью отсутствует – хрупким. Один и тот же материал может разрушаться как по хрупкому, так и по вязкому механизму.
Явление упрочнения металла при пластической деформации называется наклёпом. Наклёп объясняется значительным повышением плотности, происходящем при пластической деформации, так же при наклёпе количество точечных дефектов повышается. При нагреве на высокие температуры в металле происходит образование новых зёрен, то есть рекристаллизация, при этом наклёп снимается полностью. Температура, при которой начинается рекристаллизация, называется соответствующим температурным порогом. Рекристаллизация имеет 2 этапа:
Рекристаллизация обработки (первичная) представляет собой процесс образования новых зёрен взамен волокнистой структуры волокон металла. После рекристаллизации обработки в процессе последующего нагрева происходит рост одних зёрен за счёт других – собирательная рекристаллизация.
К основным механическим свойствам металла относят:
С помощью статических испытаний на растяжение определяются пределы пропорциональности, упругости, прочности и пластичности (относительное удлинение и относительное сужение образца до и после испытания). Для таких испытаний изготавливают специальные плоские либо круглые образцы. Форма и размеры образцов определяются ГОСТом. При испытаниях на растяжение образец растягивается под воздействием плавно возрастающей внешней нагрузки и доводится до разрушения, для этого используются так называемые разрывные машины, которые снабжены специальным прибором, автоматически вычерчивающим кривую деформации, эта кривая называется еще диаграммой растяжения.
Определение твёрдости получило широкое применение в производственных условиях, представляя собой наиболее простой и быстрый способ определения механических свойств материала. К наиболее распространенным методам определения твёрдости относят:
Определение твёрдости по методу Роквелла нашло широкое применение, так как позволяет эффективно испытывать как мягкие, так и твёрдые материалы. При этом размер отпечатков обычно незначительный, поэтому с помощью него можно испытывать готовые изделия без порчи, а метод отнести к методам неразрушающего контроля.
Кроме статических испытаний изделия подвергают испытанию ударных, знакопеременных нагрузок и нагрузок при высоких температурах. Ударная вязкость обозначается буквой КС, единица измерения Дж/см2, и оценивается работой, затраченной маятником на разрушение образца, на сечение проводника. КС=A/F, где: А - работа, затраченная на излом образца, F - площадь поперечного сечения образца. Такой способ определения ударной вязкости является наиболее простым. Для облегчения расчётов используют таблицы, в которых для каждого угла подъёма маятника после разрушения образца указана работа ударов.
В результате длительной службы металл постепенно переходит из пластичного состояния в хрупкое, то есть устаёт. Это объясняется тем, что знакопеременные нагрузки приводят к образованию в изделии микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют связь между зёрнами металла, вследствие чего разрушение наступает при меньших напряжениях, чем предел текучести. Способность металла противостоять действию знакопеременных нагрузок называется выносливость, пределом выносливости считается наибольшее напряжение, которое материал выдерживает, не разрушаясь в заданное число циклов. Испытания на усталостную прочность производят на различных машинах в зависимости от характера работы детали. Наиболее распространенными типами машин являются: машины для испытания на изгиб при вращении, машины для испытания на растяжение-сжатие, машины для испытания на кручение. Испытаниям при высоких и низких температурах, статических нагрузках, при повышенных температурах подвергаются детали паровых и газовых турбин, нефтяной аппаратуры и т.д.
Сплавом называется материал, полученный сплавлением 2 или более веществ. Металлический сплав получают сплавлением металлов или, преимущественно, металлов с неметаллами. При этом металлический сплав обладает комплексом характерных металлических свойств, а вещества, которые образуют сплав, называются компонентами. Компонент, количественно преобладающий в сплаве, называется основным. Сплавы часто называют по основному компоненту (медные, алюминиевые, магниевые). По числу компонентов различают: двухкомпонентные (двойные), трёхкомпонентные (тройные), четырёхкомпонентные и многокомпонентные. Строение сплавов зависит от того, как взаимодействуют между собой компоненты. В расплавленном состоянии сплавы представляют собой однородные жидкие растворы, то есть, компоненты неограниченно растворяются друг в друге. В твёрдом состоянии компоненты могут никак не взаимодействовать либо взаимодействовать с образованием твёрдого раствора или химического соединения, поэтому в сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкие растворы, твёрдые растворы, чистые компоненты, химические соединения. По строению в твёрдом состоянии все сплавы подразделяются на 3 основных типа: механические смеси, химические соединения и твёрдые растворы.
Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующий элемент. При наличии элементов в количестве примерно 0,1% такое легирование называют микролегированием. В конструкционных сталях основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец. Никель увеличивает пластичность и вязкость стали. Снижает температуру порогов хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений. Хром повышает жаростойкость и коррозийную стойкость стали, увеличивает её электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель, легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость. Марганец подобно никелю снижает критическую скорость охлаждения, но в отличие от никеля уменьшает и вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических свойств стали, а также с учётом меньшей стоимости марганца. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие элементы входят в сталь совместно с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения её свойств.
В зависимости от вводимых элементов легированные стали делятся на: хромистые, хромникелевые, хромникельмолибденовые и т.п. Согласно той же классификации, стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов на: низколегированные (от 0,5 до 2,5% легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10%), высоколегированные (более 10 %). По качеству легированной стали подразделяют на: качественные (до 0,04 % серы и до 0,035% фосфора), высококачественные (до 0,015% серы и до 0,025% фосфора) и особовысококачественные (до 0,025% серы и до 0,025% фосфора). Обозначение марки легированной стали включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двухзначные цифры, указывающие среднее значение содержания углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: А-азот, Б-ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, Н-никель, М-молибден. П-фосфор, Р-бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц-цирконий, Ч-редкоземельные элементы, Ю-алюминий. Следующие после буквы цифры указывают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (при содержании 1-1,5% и менее цифра отсутствует).
Магнитотвёрдые стали и сплавы предназначены для изготовления постоянных магнитов. Эти материалы сложно намагнитить, но они способны длительное время сохранять намагниченное состояние, так как имеют большие значения карцетивной силы и остаточной магнитной индукции. Для изготовления постоянных магнитов используют углеродистые стали, например: У10, У11, У12. Для достижения необходимых свойств эти стали подвергаются закалке и низкому отпуску. Наиболее лучшими магнитными свойствами обладают ниодинжелезобор (NiFeB), FeNiAl AlCo. Магнитомягкие стали и сплавы предназначены для изготовления деталей подвергаемых переменному намагничиванию, например: сердечников трансформаторов, электромагнитов, стартеров, роторов, электродвигателей. Магнитомягкие материалы способны к хорошему намагничиванию даже в слабых магнитных полях, то есть имеют малое значение карцетивной силы. Эти материалы должны иметь малое количество примесей и включений. В качестве магнитомягких материалов наибольшее распространение получили электротехнические стали, содержащие кремний в количестве от 1 до 5%, с очень низким содержанием углерода от 0,005 до 0,05%. Электротехническая сталь обычно изготавливается в виде тонких листов. Для повышения магнитных свойств, сталь обычно подвергают отжигу при температуре 880-900 градусов в среде, предохраняющей от окисления и науглероживания, обычно такой средой является водород.
Сплавы с высоким электрическим сопротивлением используются для нагревающих элементов и точных элементов сопротивления (резисторов, реостатов, катушек сопротивления). Сплавы для точных элементов сопротивления (реостатные материалы) помимо высокого электрического сопротивления должны обладать малым температурным коэффициентом электросопротивления (чтобы сопротивление мало изменялось при нагревании). Сплавы, которые предназначены для пайки и сварки, должны иметь температурный коэффициент расширения равный коэффициенту расширения этих материалов. Это необходимо для обеспечения герметичности сплавов при изготовлении приборов и в условиях эксплуатации. Поэтому коэффициенты должны совпадать во всём диапазоне рабочих температур.
По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, измерительного и штамповочного назначения. Углеродистые инструментальные стали содержат 0,7-1,3% углерода. Они маркируются буквой «У» и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях % (У7, У8, У9…У13). Буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная (У7А, У8А…У13А). Твёрдость качественных и высококачественных сталей одинакова, но высококачественные стали менее хрупки, лучше противостоят ударным нагрузкам, дают при закалке меньший брак. Высококачественная сталь выплавляется в электрических печах, а качественная – в мартеновских печах и кислородных конверторах. Низколегированные стали используются для изготовления инструментов большой длины и крупного сечения, например: развёрток, протяжек d до 60 мм, применяются для ручных инструментов по метрологии и измерительных инструментов.
К материалам высокой проводимости относят проводники с удельным электрическим сопротивлением в нормальных условиях =< 0,1 мкОм/м (серебро, медь, алюминий). Наиболее широко в нашей практике распространены медь и алюминий. Медь имеет следующие преимущества: 1) Малое удельное сопротивление, только серебро имеет несколько меньшее сопротивление. 2) Высокая механическая прочность. 3) Удовлетворительная стойкость к коррозии даже при высокой влажности. Интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах. 4) Хорошая обрабатываемость. Медь прокатывают в листы, ленты, протягивают в проволоку, толщина которой может быть доведена до 1000 долей мм. Стандартная медь имеет удельное сопротивление равное 0,01725 мкОм/м. Удельная проводимость меди - это параметр весьма чувствительный к наличию примесей. Применение меди: для изготовления кабелей, многожильных проводников, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, токоведущих деталей приборов и аппаратов, в качестве экранов для кабелей и т.д. Алюминий - второй по значению после меди полупроводниковый материал и важнейший из так называемых лёгких металлов. Удельное сопротивление алюминия составляет 0,0283 мкОм/м, что в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу масс. Это значит, что при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевого провода, он в 2 раза меньше медного, несмотря на большее поперечное сечение. Алюминий больше распространён в природе и дешевле меди, поэтому он широко применяется в электротехнике. Недостатком алюминия является низкая механическая прочность.
Наиболее широко в нашей практике распространены медь и алюминий. Медь имеет следующие преимущества: 1) Малое удельное сопротивление, только серебро имеет несколько меньшее сопротивление. 2) Высокая механическая прочность. 3) Удовлетворительная стойкость к коррозии даже при высокой влажности. Интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах. 4) Хорошая обрабатываемость. Медь прокатывают в листы, ленты, протягивают в проволоку, толщина которой может быть доведена до 1000 долей мм. Стандартная медь имеет удельное сопротивление равное 0,01725 мкОм/м. Удельная проводимость меди - это параметр весьма чувствительный к наличию примесей. Применение меди: для изготовления кабелей, многожильных проводников, шин распределительных устройств, обмоток трансформаторов, токоведущих деталей приборов и аппаратов, в качестве экранов для кабелей и т.д. Алюминий - второй по значению после меди полупроводниковый материал и важнейший из так называемых лёгких металлов. Удельное сопротивление алюминия составляет 0,0283 мкОм/м, что в 1,6 раза больше удельного сопротивления меди, но алюминий в 3,5 раза легче меди. Благодаря малой плотности обеспечивается большая проводимость на единицу масс. Это значит, что при одинаковом сопротивлении и одинаковой длине алюминиевого провода, он в 2 раза меньше медного, несмотря на большее поперечное сечение. Алюминий больше распространён в природе и дешевле меди, поэтому он широко применяется в электротехнике. Недостатком алюминия является низкая механическая прочность. Применение алюминия: для изготовления проволок, фольги, которую применяют в качестве обкладок в бумажных конденсаторах, пластин конденсаторов переменной ёмкости, электродов, корпусов электролитических конденсаторов и т.д.
К благородным металлам относятся наиболее химически стойкие металлы: серебро, золото, платина, палладий. Серебро - это белый блестящий металл, стойкий против окисления при нормальной температуре, серебро имеет меньшее удельной сопротивление, чем другие металлы. Применяется для изготовления контактов, рассчитанных на небольшие токи, а также для непосредственного нанесения на диэлектрик в качестве электродов, в производстве керамических конденсаторов. Недостатком серебра является его склонность к миграциям внутри диэлектриков в условиях высокой влажности при высоких температурах окружающей среды. Золото используют в электронной технике как контактный материал. Основное его преимущество - это стойкость против образования сульфидных и оксидных плёнок в атмосферных условиях, как при комнатных температурах, так и при нагревании. Применение: тонкие плёнки золота применяют в качестве полупрозрачных электродов в фоторезисторах и полупроводниковых фотоэлементах, а также в качестве межсоединений и контактных площадок. Недостаток - дороговизна материала. Платина - это белый металл, который практически не соединяется с кислородом и весьма стоек к химическим реагентам. В отличие от серебра, платина не образует сернистых плёнок. Вследствие малой твёрдости платина в чистом виде редко используется для контактов, но служит основой для некоторых контактных сплавов. Особо тонкие нити из платины, диаметром 0,001 мм применяют для поддержек подвижных систем чувствительных электромеханических приборов. Платину применяют для изготовления термопар. Палладий по ряду свойств близок к платине, но дешевле её в 4-5 раз. Палладий и его сплавы с серебром и медью применяются в качестве контактных материалов. Чистый палладий применяется для покрытия скользящих контактов, работающих при больших усилиях на контактах.
К этой группе относятся сплавы с удельным электрическим сопротивлением > 0,3 мкОм/м. Применяются для изготовления точных резисторов, термостабильных резисторов, реостатов и нагревательных элементов. К данным сплавам относят:
Полимеры – обычно применяют для изготовления различных узлов медицинской техники, кроме того, они применяются в качестве специальной посуды, различных видов упаковок и обладают рядом преимуществ перед изделиями из металлов: экономичность, повышенная стойкость к воздействию агрессивных сред, возможность выпуска разовых изделий. Основными требованиями к полимерным материалам являются: необходимый комплекс физико-механических свойств, повышенная механическая прочность, минимальное содержание примесей катализаторов и стабилизаторов, повышенная химическая стойкость. В качестве полимерных материалов обычно используют: полиэтилен, который подразделяется на высокой и низкой плотности, полиамиды, поликарбонат, фторопласт, полистирол, полипропилен, пластикат. Механические свойства полимеров характеризуются: способностью к обратимым высокоэластичным деформациям, релаксационным характером реакций тела на механическое воздействие, зависимостью механических свойств полимеров от условий их получения, способностью под действием внешней силы приобретать различные свойства и сохранять их после снятия воздействия. Для классификации механических свойств применяют разделение по следующим признакам: 1) Деформационные свойства - упругость, эластичность, жёсткость, мягкость, вынужденную высокую эластичность, ползучесть, вязкость, внутреннее тяготение. 2) Прочностные свойства – прочность, долговечность, хрупкость, ударная вязкость, твёрдость, усталостная прочность. 3) Функциональные свойства – коэффициент трения и износостойкость.
Важный этап выбора материала - это оценка его стоимости и дефицитности. Материал должен быть дешёвым с учётом затрат как на его получение, так и на обработку. Необходимо также учитывать наличие отдельных составляющих материала относящихся к дефицитным. К таким материалам в последнее время можно отнести: кобальт, вольфрам, никель. Их использование в качестве легирующих элементов при изготовлении сплавов должно быть ограниченно. Однако их нельзя исключать при жёстких требованиях к результирующим свойствам, то есть когда их цена является оправданной, например, в быстрорежущих и жаропрочных сталях и сплавах. Таким образом, при выборе материала основой должны являться назначения и условия работы изделия или конструкции. При этом конструктор должен опираться на предыдущий опыт изготовления и эксплуатации изделий данного профиля. Кроме того, необходимо учитывать уровень технологий производства и его особенности. При отсутствии известного опыта в данном направлении особую роль играют результаты стендовых и натурных испытаний. Кроме того, для целого ряда изделий новой техники, особенно специального назначения, основным путём при конструировании становится не выбор материала, а разработка принципиально новых сочетаний элементов для достижения особо высокого комплекса свойств, который не может быть достигнут с использованием серийно выпускаемых материалов. Этот подход носит название «инжениринг материала»: его особенностью является совокупность материаловедческих, технологических и производственных аспектов, практическая реализация которых гарантирует обеспечение необходимого уровня свойств и надёжности этих свойств. Применение «инжениринга материала» позволяет получить надёжные изделия с гарантированным и стабильным уровнем эксплуатационных свойств при минимальных производственных затратах. |