учь. Материаловедение Материаловедение
 Скачать 345.36 Kb.
|
|
Материаловедение Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства. ЦЕЛЬ настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике. Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химикотермическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов. 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. Назначение материала определяется требованиями конструкции и возможностью переработки в изделие. Определяющими свойствами при выборе того или иного материала являются: - механические; - физические; - химические; - эксплуатационные характеристики. Механические свойства материалов, определяют их поведение под действием механической нагрузки. Основные механические свойства твердых тел: - деформационные (жесткость, пластичность, ползучесть, твердость); - прочностные (предел прочности, долговечность, работа разрушения при ударном воздействии); - фрикционные (коэффициенты трения и износа). Для жидкостей основное механическое свойство - вязкость. Значения показателей механических свойств не являются физическими постоянными вещества; они могут зависеть от формы и размеров изделия, условий испытания, состава окружающей среды, состояния поверхности испытуемого образца, фазового и релаксационного состояний материала, определяемых его предысторией, составом, структурой. Для многих материалов (монокристаллических, ориентированных и армированных пластиков, волокон) характерна резкая анизотропия (то есть зависимость механических свойств вещества от направления) механических свойств. Хотя механические свойства зависят от сил взаимодействия между частицами (ионами, атомами, молекулами), составляющими вещество, прямое их сопоставление со структурными характеристиками затруднено из-за дефектов кристаллической структуры и неоднородностей, присущих реальным веществам. По механическим свойствам различают следующие основные типы материалов: 1) жесткие и хрупкие (чугуны, высоко ориентированные волокна, камни и др.), для них характерны низкие разрывные удлинения (до нескольких %); 2) твердые и пластичные (многие пластмассы, мягкие стали, некоторые цветные металлы), для них характерен большие разрывные удлинения; 3) эластомеры (резины) - низкомодульные вещества (равновесный модуль высоко эластичности порядка 0,1-2 МПа), способные к огромным обратимым деформациям (сотни %); 4) вязко пластичные среды, способные к неограниченным деформациям и сохраняющие приданную им форму после снятия нагрузки (глины, пластичные смазки, бетонные смеси); 5) жидкости, расплавы солей, металлов, полимеров и т.п., способные к необратимым деформациям (течению) и принимающие заданную форму. Возможны также разнообразные промежуточные случаи проявления механических свойств. Физические свойства характеризуют физическое состояние материала, а также его способность реагировать на внешние факторы, не влияющие на химический состав материала. К физическим свойствам материалов относят плотность, пористость, водопроницаемость, морозостойкость, влажность, теплопроводность, температуру размягчения, температуру вспышки, температуру стеклования, адгезию, газопроницаемость и другие. Пористость - степень заполнения объема материала порами. Определяют ее как общий объем пор в единице объема материала. От степени пористости зависят прочность, теплопроводность, морозостойкость, водопоглощение и другие свойства материалов. Чем меньше пористость, тем больше прочность, морозостойкость, теплопроводность, но меньше водопроницаемость. Водопроницаемость - способность материала пропускать через себя воду под давлением. Степень водопроницаемости зависит от пористости материала, формы и размеров пор. Чем больше в материале незамкнутых пор и пустот, тем больше его водопроницаемость. Водопроницаемость характеризуется коэффициентом водопроницаемости, который равен количеству воды, прошедшей в течение 1 ч через образец материала площадью 1 см2 при постоянном давлении и определенной толщине образца. Водопоглощение - способность материала поглощать и удерживать в своих порах воду - характеризуется количеством воды, которое поглощает сухой материал при погружении и выдерживании в ней, отнесенным к массе сухого материала (водопоглощение по массе) или к объему материала в сухом состоянии (водопоглощение по объему). Влажность - степень увлажнения материала - зависит от влажности окружающей среды, структуры и свойств самого материала. Для оценки влажности пользуются показателем влажности - отношением количества влаги, содержащейся в материале, к массе материала в абсолютно сухом состоянии. Теплопроводность - способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях материала (образца). Различные материалы реагируют на тепловой поток по-разному: одни быстрее (например, металлы), другие медленнее (теплоизоляционные материалы). Теплопроводность - количество теплоты, проходящей через образец материала толщиной 1 м, площадью 1 м2 за 1 ч при разности температур на противоположных поверхностях образца 1ºС. Адгезия - сопротивление отрыву или сдвигу материала, нанесенного на изолируемую поверхность. Например, адгезия битумно-найритовой композиции при отрыве от бетонной поверхности достигает 0,5 МПа. Химические свойства материалов характеризуются способностью материала к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении, или при изменении физических условий состояния материала (например, температуры, солнечной радиации). Важнейшим условием использования материалов в любой конструкции является их совместимость с рабочей средой. Классификация материалов. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре. Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов, тонкодиспeрсных частиц и др. Путем подбора состава и свойств наполнителя и матрицы (связующего), их соотношения, ориентации наполнителя можно получить материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств. Использование в одном материале нескольких матриц (полиматричные композиционные материалы) или наполнителей различной природы (гибридные композиционные материалы) значительно расширяет возможности регулирования свойствами композиционных материалов. Армирующие наполнители воспринимают основную долю нагрузки композиционных материалов. По структуре наполнителя композиционные материалы подразделяют на волокнистые (армированы волокнами и нитевидными кристаллами), слоистые (армированы пленками, пластинками, слоистыми наполнителями), дисперсноармированные, или дисперсноупрочненные (с наполнителем в виде тонкодисперсных частиц). Матрица в композиционном материале обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжения в наполнителе. По природе матричного материала различают полимерные, металлические, углеродные, керамические и др. композиты. Керамика - неметаллические материалы и изделия, получаемые спеканием глин или порошков неорганических веществ. По структуре керамику подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5-30%), и тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят многие строительные керамические материалы, например, лицевой кирпич, к тонкой – фарфор. Высокомолекулярные соединения (полимеры), характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких (иногда многих) миллионов. В состав молекул высокомолекулярных соединений (макромолекул) входят тысячи атомов, соединенных химическими связями. Любые атом или группа атомов, входящие в состав цепи полимера или олигомера, называют составным звеном. Наименьшее составное звено, повторением которого может быть описано строение регулярного полимера, называют составным повторяющимся звеном. Составное звено, которое образуется из одной молекулы мономера при полимеризации, называют мономерным звеном (ранее иногда называли элементарным звеном). Например, в полиэтилене [—СН2СН2—]n повторяющееся составное звено - СН2, мономерное - СН2СН2. Электротехнические материалы представляют собой совокупность проводниковых, электроизоляционных, магнитных и полупроводниковых материалов, предназначенных для работы в электрических и магнитных полях. Сюда же можно отнести основные электротехнические изделия: изоляторы, конденсаторы, провода и некоторые полупроводниковые элементы. Электротехнические материалы в современной электротехнике занимают одно из главных мест. Резина - эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального и синтетических каучуков. Представляет собой сетчатый эластомер-продукт поперечного сшивания молекул каучуков химическими связями. Важнейшее свойство резины - высокая эластичность, т.е. способность к большим обратимым деформациям в широком интервале температур. По назначению различают следующие основные группы резин: общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию химически агрессивных сред и др. Пластические массы (пластмассы), полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии обычно при повышенной температуре и под давлением. В обычных условиях находятся в твердом стеклообразном или кристаллическом состоянии. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и различные модифицирующие добавки, улучшающие технологические и (или) эксплуатационные свойства, снижающие стоимость и изменяющие внешний вид изделий. Технические материалы принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например, стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Содержание элементов в Земной коре. Исторически для техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь. Содержание металлов и элементов в Земной коре следующие: Железо = 4,7%, Алюминий =7,5%, Кремний =25,7%. (Масса Земли 5,9736*1024 кг). Наиболее перспективным элементом для использования в технике является алюминий, это совпадает с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN). Так как материальные ресурсы Земли ограничены, это находит свое отражение в формировании цен, из этого возникают следующие задачи: расширения сырьевой базы и сокращения затрат материалов на единицу техники. Источником сырья для синтеза каучуков, производства пластических масс, синтетических волокон являются синтетические органические продукты основного органического синтеза нефти и газа. Продукты основного органического синтеза в больших количествах перерабатываются в пластические массы и резину – важнейшие конструкционные материалы машиностроения. По разведанным запасам нефти Россия входит в число ведущих нефтедобывающих стран. В ее недрах сосредоточено 6-10% мировых запасов нефти, что эквивалентно 9,9 млрд. тонн (добыча нефти составляет 491,5 млн. т в год). По разведанным запасам газа Россия занимает первое место в мире (около 33% мировых запасов) и обеспечивает до 30% его мировой добычи. В России открыто и разведано порядка 760 месторождений газа, из которых более 320 вовлечено в разработку. Разведанные запасы газа, учтенные в 23 субъектах Федерации, составляют 47,5 трлн. м3, из которых почти 37 трлн. м3, или 77,8%, сосредоточены в Западной Сибири (добыча газа составляет 653,1 млрд м3 ). Мировой объем производства основных материалов. Элементы, преимущественно металлические, находятся в Земной коре в виде окислов, нитридов, гидридов и гидратов, хлоридов и т.п., для превращения минерального сырья в полуфабрикаты необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна, что положительно сказывается на их относительной стоимости. Мировой объем производства основных материалов следующий: стали 700 млн. тонн, конструкционного чугуна 46 млн. тонн, пластических масс 100 млн. тонн, конструкционных стекла и керамики 180 млн. тонн. Отметим, что плотность пластмасс в 2-3 раза ниже, чем металлов, и в объемных процентах пластмасс выпускается в 2 раза больше других материалов. Отличительной особенностью современного машиностроения является расширение номенклатуры применяемых материалов. Среди металлических материалов мировой объем производства следующий: Алюминий = 12,2, Медь = 7,3, Цинк = 4,68, Свинец = 3,77, Никель = 0,52 (млн. тонн/год). Наибольшие темпы роста производства у композиционных и порошковых материалов. Мировое производство полимеров и пластмасс в двадцатом столетии выросло от 20 000 т/год (1900 г.) до 124 млн. т/год (2000 г.), т.е. увеличилось 1.10 в 6200 раз. Среднедушевое мировое потребление пластмасс к концу прошлого тысячелетия достигло 15 кг/год, а в отдельных странах (Финляндия, Германия) превысило 100 кг/год. 17 стран мира, начиная с 1986 г., производят пластмасс более 1 млн. т/год. Дефекты кристаллической решетки: Точечные дефекты соизмеримы с размерами атомов. К ним относятся вакансии, т. е. незаполненные узлы решетки, межузельные атомы данного металла, примесные атомы замещения, т. е. атомы, по диаметру соизмеримые с атомами данного металла и примесные атомы внедрения, имеющие очень малые размеры и поэтому находящиеся в междоузлиях. Влияние этих дефектов на прочность металла может быть различным в зависимости от их количества в единице объема и характера. Число вакансий при комнатной температуре очень мало по сравнению с общим числом атомов (примерно 1 вакансия на 1018 атомов), несильно увеличивается с повышением температуры, особенно вблизи температуры плавления (1 вакансия на 104 атомов). Также возможно наличие межузельных (дислоцированных) атомов. Линейные дефекты имеют длину, значительно превышающую их поперечные размеры. К ним относятся дислокации, т. е. дефекты, образующиеся в решетке в результате смещений кристаллографических плоскостей. Дислокации бывают двух видов. Наиболее характерной является краевая дислокация. Она образуется в результате возникновения в решетке так называемой полуплоскости или экстраплоскости. Краевая дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или иную сторону. В пределе она может закрутиться в спираль, образуя винтовую дислокацию. Другим типом дислокации является винтовая дислокация, которая представляет собой некоторую условную ось внутри кристалла, вокруг которой закручены атомные плоскости. В винтовой дислокации, так же как в краевой, существенные искажения кристаллической решетки наблюдаются только вблизи оси, поэтому такой дефект может быть отнесен к линейным. Дислокации обладают высокой подвижностью, поэтому существенно уменьшают прочность металла, так как облегчают образование сдвигов в зернах-кристаллитах под действием приложенных напряжений. Дислокационный механизм сдвиговой пластической деформации внутри кристаллов может привести к разрушению изделия. Таким образом, дислокации непосредственно влияют на прочностные характеристики металла. Для оценки этого влияния используется плотность дислокаций, под которой принято понимать отношение суммарной длины дислокаций к объему содержащего их металла. Плотности дислокаций измеряется в см- 2 или м - 2 Аллотропия или полиморфные превращения. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом. Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию. Примером аллотропического видоизменения в зависимости от температуры является железо (Fe). Fe: t < 911 0 C – ОЦК 911 < t < 1392 0 C – ГЦК 1392 < t < 1539 0 C – ОЦК Превращение одной модификации в другую протекает при постоянной температуре и сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного обозначения металла. Типы связей. Природа сил, удерживающих ионы атом или молекул в определенных местах кристаллической решетки, определяет строение кристалла и его свойства. Характер связи, возникающий между элементарными частицами в кристалле, формируется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Силы притяжения возникают благодаря взаимодействию электронов с положительно зараженным ядром собственного атома, а также с ядрами соседних атомов. Силы отталкивания возникают в результате взаимодействия положительных ядер соседних атомов при их сближении. Силы отталкивания проявляются при сильном сближении и растут интенсивнее, чем силы притяжения уравновешивание сил происходит при сближении элементарных частиц на расстоянии R 0 . Сближению соответствуют минимум энергии, что делает кристалл термодинамически устойчивым. Все кристаллы по характеру связи подразделяются на ковалентные, ионные, металлические и водородные. Ковалентная связь, один из видов химической связи между двумя атомами, которая осуществляется общей для них электронной парой (по одному электрону от каждого атома). Ковалентные связи очень прочны. Многие неорганические соединения, кристаллы которых имеют атомную решётку, то есть образуются с помощью ковалентной связи, являются тугоплавкими, обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Это объясняется тем, что ковалентная связь характеризуется направленностью, так как каждый атом вступает в обменное взаимодействие с вполне определенным числом атомов. Вследствие этого атомы в ковалентных кристаллах укладываются некомпактно. Образование заполненных валентных зон при такой связи превращает ковалентные кристаллы в полупроводники, и даже диэлектрики. К ковалентным кристаллам принадлежат некоторые карбиды, силициды, бориды, нитриды (в частности, боразон BN), нашедшие применение в новой технике. Ионная связь - химическая связь, обусловленная переносом валентных электронов с одного атома на другой (образованием положительных и отрицательных ионов) и электростатическим (кулоновским) взаимодействием между ними. Ионная связь характерна для соединений металлов с наиболее типичными неметаллами, например, для молекулы NaCl и соответствующего ионного кристалла. Металлическая связь - тип химической связи атомов в веществах, обладающих металлическими свойствами. Металлическая связь обусловлена большой концентрацией в таких кристаллах электронов проводимости. Отрицательно заряженный «электронный газ» удерживает положительно заряженные ионы на определённых расстояниях друг от друга. Металлическая связь образуется относительно легко и легко разрушается. Данная связь слабее ковалентной связи; можно деформировать металлическую решетку (ковкость, тягучесть), но вырвать атом из такой решетки трудно, поскольку ме жду ансамблем положительных ионов и электронами действуют силы притяжения. Водородная связь - разновидность донорно-акцепторной связи, невалентное взаимодействие между атомом водорода H, ковалентно связанным с атомом A группы A-H молекулы RA-H и электроотрицательным атомом B другой молекулы (или функциональной группы той же молекулы) BR'. Результатом таких взаимодействий являются комплексы RA- H•••BR' различной степени стабильности, в которых атом водорода выступает в роли «моста», связывающего фрагменты RA и BR'. Атом водорода, соединенный с атомом сильно электроотрицательного элемента, способен к образованию еще одной химической связи с другим сильно электроотрицательным атомом. Твердость Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Методы определения твердости О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) Испытание проводят на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия. Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F. Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P /, НВ 5/ 250 /30 – 80. Метод Роквелла (ГОСТ 9013 -59) Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой. Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный. Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой Р 0 Твердость определяется по величине отпечатка. В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 0 Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе. Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода. Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс. Метод царапания. Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала. Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину. Динамический метод (по Шору) Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал. |