Предмет материаловедения современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения
 Скачать 32.21 Kb.
|
|
Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения Каждый материал имеет определѐнный комплекс свойств. Необходимость знания свойств используемых материалов для изготовления деталей, воспринимающих прилагаемую извне нагрузку, обусловлена естественным желанием конструктора,строителя, производителя, пользователя, чтобы машина,механизм, конструкция, которые собирают из этих деталей,служили надѐжно и долго. Изучение этой дисциплины позволяет осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла. В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д. В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения. Металловедение как наука возникло в России в XIX в, оно является научной основой для разработки новых оптимальных технологических процессов: термической обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники. Впервые установил существование связи между строением стали и ее свойствами выдающийся русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный секрет изготовления и получения древними мастерами Востока булатной стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью. П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов. Основоположник научного металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), он открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей. Огромный вклад в развитие науки о металлах внесли Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С. Штейиберг, А.П. Гуляев, а также другие советские ученые. Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия). В XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой. Как наука материаловедение насчитывает около 200 лет, несмотря на то, что человек начал использовать металлы и сплавы ещё за несколько тысячелетий до нашей эры. Только в 18 веке появились отдельные научные результаты, позволяющие говорить о начале осмысленного изучения всего того, что накопило человечество за всё время использования металлов. Конструкционным называют материал, применяемый для деталей, из которых собирают различные изделия: машины, механизмы, конструкции. Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы. Металлическими называют конструкционные материалы, являющиеся сплавами металлов с другими веществами. По содержанию металлов сплавы состоят из основного металла (железо, титан и другие) и легирующих компонентов, вместе образующих сплавы, например, сталь, дуралюмин, латунь, а по цвету – на чѐрные сплавы (на основе железа) и цветные (на основе цветных металлов). 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. Подавляющее большинство всех конструкционных и инструментальных материалов изготовлены из сплавов на основе железа. К цветным металлам -- материалы цветной металлургии относят остальные металлы: медь (Cu), алюминий (Al), никель (Ni), олово (Sn), титан (Ti), магний (Mg), золото (Au), серебро (Ag) и др. Цветные металлы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в технике. Золото используется в электронике, хромом покрывают металлические изделия в защитных целях, из меди делают электрические провода. 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, непрозрачностью,электропроводностью и способностью к пластической деформации. Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов. Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами. Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами. Неметаллические по природному происхождению делят на -минеральные (камень, бетон, керамика, стекло) и -органические(древесина, пластмассы, резина). Композиционными Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики) их называют конструкционные материалы, искусственно смешанные из не взаимодействующих химически между собой металлических и/или неметаллических компонентов (матрицы и наполнителя), каждый из которых придаѐт материалу какие-то определѐнные свойства. Знание классификаций конструкционных материалов учитывают при назначении последних в процессе конструирования для обеспечения необходимых свойств деталей с целью долгой и рациональной эксплуатации в изделиях: машинах, механизмах, конструкциях, а также для приведения в соответствие эргономических, экономических, экологических и эстетических показателей этих изделий. СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Весь комплекс свойств любых конструкционных материалов делят на пять групп: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные. 2.1 Физические свойства Все твѐрдые вещества имеют свои физические свойства, то есть те, которые проявляются независимо от внутреннего строения вещества. Для металлических: цвет, плотность, температура плавления,теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность. Для неметаллических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение. Цвет – результат зрительного восприятия человеком отражения поверхностью материала определѐнного, присущего каждому веществу, своего участка светового спектра. По цвету можно определить, например, вид металлического конструкционного материала (сплавы меди – красные и жѐлтые,алюминия – белые, железа – чѐрные), температуру его нагрева;или наличие химических дефектов на поверхности керамического конструкционного материала (они обычно имеют другой цвет, чем основной материал) и многое другое. Плотность – свойство, характеризуемое массой вещества в стандартной единице объѐма. Металлы по величине плотности делят на лѐгкие (магний 1740 кг/м3, алюминий 2720 кг/м3, титан 4500 кг/м3) и тяжѐлые (хром 7140 кг/м3, железо 7850 кг/м3, медь 8940 кг/м3, молибден 10220 кг/м3, вольфрам 19300 кг/м3). Плотность материалов из минералов (керамика, стекло) находится в пределах соответственно 1600...1800 и 2400...2600 кг/м3.Плотностьорганических конструкционных материалов (полипропилен, древесина) находится ниже или на уровне плотности воды (около 1000 кг/м3, у некоторых (фторопласт-4) – до 2200 кг/м3). Температура плавления – значение, при котором кристаллические вещества (металлы и минералы) при нагревании переходят из твѐрдого состояния в жидкое. У металлов можно выделить легкоплавкие (магний 651 °С, алюминий 658 °С,), средний диапазон (медь 1083 °С, железо 1590°С.) и тугоплавкие (титан 1668 °С, вольфрам 3410°С). Конструкционные материалы из минералов (стекло, базальт) плавятся в диапазоне температур от 1000 до 1400 °С.Конструкционные материалы на основе органических веществ (полипропилен, полистирол) являются аморфными и при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние в диапазоне температур от 100 до 300 °С. Теплопроводность – количественная характеристика интенсивности передачи материалом теплоты по своему объѐму . Самая высокая – у металлов: у меди в полтора раза выше, чем у алюминия и в пять раз выше, чем у железа. Теплопроводность конструкционных материалов из минералов в десятки раз, а из органических веществ в сотни раз ниже, чем у металлов. Тепловое расширение – свойство любого вещества увеличивать свои размеры при нагревании и уменьшать при охлаждении. В наибольшей степени изменяют свои размеры органические конструкционные материалы (в 10...30 раз выше чем металлические (сталь) или минеральные (бетон). Электропроводность – способность всех без исключения металлов и их сплавов проводить электрический ток.Наилучшая электропроводность у чистых металлов: серебра,меди и алюминия. Минеральные и органические конструкционные материалы не проводят электрический ток. Химические свойства-свойства вещества, обусловленные егоактивностью на молекулярном и атомарном уровнях. Для конструкционных материалов наиболее важным являются два указанных ниже свойства, обеспечивающие их долгую и надѐжную эксплуатацию. Химическая стойкость – сопротивление вступлению вещества в химические соединения с другими веществами. Каждое вещество имеет свой уровень химической стойкости, и для изготовления из них конструкционных материалов применяют те, у которых он более высок. Коррозионная стойкость – сопротивление металла вступлению в химические соединения с кислородом (коррозии),в том числе разрушению под действием агрессивных компонентов окружающей среды. Конструкционные материалы, имеющие наиболее высокий уровень коррозионной стойкости: сплавы металлов (нержавеющие стали, латуни, бронзы,силумины, дуралюмины, титановые сплавы); минеральные материалы (камни, керамика, стекло); органические материалы (пластмассы). Чем более стоек материал в химическом отношении, тем длиннее срок его службы при прочих оптимальных условиях. Механические свойства Способность конструкционного материала сопротивляться воздействию внешних сил состоит из одного или нескольких перечисленных ниже механических свойств: прочность, пластичность, твѐрдость, упругость, ударная вязкость, выносливость. Значения предельных напряжений сведены в таблицы, приводимые в технических справочниках, их используют при теоретических расчѐтах размеров деталей. Прочность – сопротивление разрушению от внешних нагрузок. Материал детали по разному сопротивляется различным видам нагрузок (например, растяжение и сжатие) и, следовательно, имеет отличные друг от друга числовые значения и обозначения прочности: временное сопротивление разрыву – σВ; растяжение – σР ; сжатие – σС; изгиб – σИ; кручение – σКР; срез – σСР; смятие – σСМ. Измеряется в мегапаскалях (МПа). Буква греческого алфавита строчная,читается «сигма», индекс около неѐ читается русскими буквами,обозначающими начальные буквы видов нагрузок и произносятся полным названием вида нагрузки в родительном падеже. Удельная прочность – характеристика конструкционного материала, являющаяся отношением прочности к плотности .Применяется для сравнения свойств материалов в случаях, когда важен малый вес детали (самолѐто- и ракетостроение). Пластичность – изменение формы физического тела под действием внешних сил без признаков разрушения и сохранение еѐ после снятия действия сил. Наличие этого свойства позволяет изготавливать заготовки для деталей пластическим деформированием. Характеризуется двумя показателями: относительное предельное равномерное удлинение Р , %. Буква читается «дельта», индекс около неѐ читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное»; относительное предельное равномерное сужение Р , %. Буква читается «пси», индекс около неѐ читается русской буквой, обозначающей начальную букву слова «равномерное». Твѐрдость – сопротивление материала внедрению под нагрузкой в его поверхность другого физического тела. Наличие у материала детали этого свойства достаточной величины позволяет не разрушаться при абразивном изнашивании. У мягких металлов и древесины твѐрдость измеряют вдавливанием в них индентора – стального закалѐнного шарика и обозначают НВ (твѐрдость по Бринеллю). В системе СИ измеряется в Н/мм2, что равно МПа; (старые единицы измерения кгс/мм2 и кгс/см2). «НВ» читается латинскими буквами и звучит«ашбэ».Для твѐрдых металлов в качестве индентора применяют алмазный конус и обозначают HRC (твѐрдость по Роквеллу).Измеряется в условных единицах, обозначающих количество расстояния 0,02 мм в размере глубины лунки от вдавливания алмазного конуса в поверхность образца. «НRC» читается латинскими буквами и звучит «ашэрцэ». Единицы измерения неставятся. Например HRC 60, где число – количество по 0,02 мм. Твѐрдость минералов определяют по специальной шкале минералов (шкале Мооса), в которой из десяти минералов номер 1 (тальк) является самым мягким и на нѐм легко сделать царапину ногтем, а каждый последующий (2 – гипс, 3 – кальцит, 4 – флюорит, 5 – апатит, 6 – ортоклаз, 7 – кварц, 8 – топаз, 9 - корунд) царапает предыдущий, а номер 10 (алмаз) является самым твѐрдым и легко оставляет царапину на стекле Твѐрдость обозначается числом от 1 до 10. Единицы измерения не ставятся. Упругость – восстановление первоначальной формы физического тела после прекращения действия внешней нагрузки. Каждый конструкционный материал имеет свою величину упругости, измеряемую модулем нормальной упругости Е (МПа), высокое значение которого говорит о высокой жѐсткости материала, обеспечивающей весьма малые величины упругой деформации физического тела. Так у сталей Е = 200000 МПа, у меди и чугуна – 100000 МПа, стекло – 70000 МПа, бетон и древесина – 20000МПа, пластмассы – 2000...5000 МПа, а у каучука Е = 20 МПа. Ударная вязкость – сопротивление динамическим (ударным) нагрузкам. Обозначают КС (МДж/м2) и измеряют отношением работы А (МДж), затраченной на разрушение образца к площади поперечного сечения с надрезом F (м2) образца на специальном испытательном стенде. Наиболее высокое значение ударной вязкости – у сплавов металлов (сталей, содержащих никель). Высокие значения ударной вязкости конструкционного материала позволяют деталям,изготовленным из него, работать долго и надѐжно при динамических колебаниях внешних нагрузок. У минеральных и органических материалов она весьма незначительна. Выносливость – сопротивление материала детали усталости. Усталость присуща только твѐрдым и хрупким материалам и является постепенным накоплением трещин при знакопеременных нагрузках в работающем сечении детали вплоть до разрушения. Предел выносливости σВ (МПа) – значение напряжения материала, при котором не происходит разрушения детали при любом количестве циклов нагружения.Высокое значение этого механического свойства весьма важно для вращающихся стальных валов, имеющих на себе насадные детали (шестерни, шкивы), передающие нагрузку. 2.4 Технологические свойства Для того, чтобы изготовить из материала сначала заготовку, а затем из неѐ – деталь, необходимо применить к материалу комплекс различных видов механической и термической обработки. Обрабатываемость каждого материала индивидуальна и зависит от степени соответствия их технологическим свойствам, к которым относятся: ковкость, возможность литья, свариваемость, обрабатываемость резанием. Ковкость – возможность пластического деформирования материала без образования дефектов структуры. Из материалов ею обладают сплавы металлов, но только в пластичном состоянии (сталь, деформируемые сплавы цветных металлов). Хрупкие сплавы металлов (чугун, литейные сплавы цветных металлов), а также минеральные и органические материалы не куются. Единицы измерения не применяются: либо материал обладает ковкостью, либо нет. Возможность литья конструкционного материала, имеющего определѐнную величину температуры плавления, характеризуется литейными свойствами: жидкотекучесть – заполнение расплавом материала узких мест внутренней полости литейной формы. Чем она выше, теточнее будет отливка (у чугуна выше, чем у литейных сплавов цветных металлов и стали). Из минеральных материалов ввиду их невысокой жидкотекучести отливают изделия простых форм, органические материалы (полимеры) из-за того же отливают под давлением. Обозначается lЖ и оценивается множеством факторов (плотность расплава, теплофизические свойства, условия литья и так далее). Буква читается «эл», индекс около неѐ читается русской буквой «жэ», обозначающей начальную букву слова «жидкотекучесть»; усадка – уменьшение объѐма материала после отверждения и остывания расплава. Чем она ниже, тем точнее будет отливка (у чугуна и алюминиевых литейных сплавов – 0,9...1,45% от объѐма, у магниевых сплавов – 1,0...1,6%, у стали и медных литейных сплавов – 1,5...2,5%). У расплавов минеральных материалов усадка – около 5%. Обозначается ЛИН – линейная иV – объѐмная. Буква читается «эпсилон», индекс около неѐчитается русскими буквами «лин», обозначающими начальные буквы слова «линейная» и другой – латинской буквой «вэ», являющейся стандартным обозначением объѐма. Свариваемость – образование качественного сварногонеразъѐмного соединения двух заготовок между собой расплавлением их соединяемых кромок. Ею обладают некоторые сплавы металлов (у железа – сталь, у алюминия – дуралюмин,) и некоторые виды пластмасс (полипропилен, полиэтилен). Качество сварного шва характеризуется коэффициентом прочности сварного соединения, который является отношением прочности сварного шва σВшва и прочности основного металла σВосн. и должен стремиться к единице или быть больше неѐ. Индексы к греческой букве «сигма» читаются русскими буквами и обозначают: «В» –временное сопротивление материала разрывающей или сжимающей нагрузке, а «шва» и «осн» указывают, что эта характеристика относится соответственно к шву или основному материалу свариваемых заготовок. Обрабатываемость резанием – образование качественной поверхности следа режущего инструмента на обрабатываемом материале (чем меньше глубина царапины, тем выше качество). Все конструкционные материалы имеют разную степень обрабатываемости (чугун – лучше стали, сталь – лучше титановых сплавов, пластмассы – лучше минералов), но для обработки каждого можно подобрать оптимальный материал режущей части инструмента. Качество поверхности оценивается точностью изготовляемого размера детали и высотой шероховатостей микронеровностей (Rz, мкм – высота неровностей профиля по десяти наивысшим точкам, применяется при грубой обработке резанием, и Ra, мкм – среднее арифметическое отклонение профиля на определѐнной длине, применяется при чистовой обработке резанием) на поверхности следа от режущего инструмента. Эксплуатационные свойства Выбор материала для какой-либо детали, обладающего заданными физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами должен обеспечить и соответствующие эксплуатационные свойства, чтобы эта деталь работала в машине, механизме или конструкции надѐжно и долговечно и не сломалась в самый неподходящий момент. К эксплуатационным свойствам относятся: износостойкость, жаростойкость, хладностойкость, жаропрочность и антифрикционность. Исходя из условий эксплуатации проводят испытания образцов из материала детали для измерения того или другого свойства. На специальных испытательных машинах – механических стендах создают условия работы для образца, близкие к реальным для детали и через определѐнные промежутки времени измеряют проверяемый параметр. По результатам испытаний рассчитывают срок службы детали. Износостойкость – сопротивление изнашиванию, то есть изменению размеров и формы детали вследствие разрушения поверхностного слоя материала при трении. Процесс изнашивания приводит к поломке детали, так как еѐ размер становится меньше и деталь не выдерживает нагрузки. износ – это величина изношенного слоя материала(мм). Чем ниже коэффициент трения (резина – 0,5; текстолит –0,25; сталь – 0,15; бронза – 0,1; капрон – 0,055; алмаз – 0,02) и выше твѐрдость материала детали (у закалѐнной стали выше, чем у незакалѐнной), тем выше износостойкость поверхности. Жаростойкость – сохранение материалом детали работоспособности при высоких температурах (вольфрам – 3000 °С , титан – 1000 °С, жаростойкие легированные стали – 550...1100 °С, железобетон – 400 °С, бетон – 100 °С). Хладностойкость – сохранение материалом детали работоспособности при низких температурах (качественная сталь – минус 30 °С, легированные стали – минус 150 °С, алюминиевые и медные сплавы – минус 200 °С. фторопласт-4 и полиэтилен – минус 70°С, специальные резины – минус 70 °С). Жаропрочность – сохранение материалом прочности на достаточном для эксплуатации уровне при высоких температурах (сплавы «нихром» – 700...1000 °С, жаропрочные легированные стали – 500...750 °С). Антифрикционность – сохранение низкого сопротивления трению в заданных условиях эксплуатации. Это свойство взаимосвязано с износостойкостью, но оба они относятся к различным критериям работы поверхностей трущихся деталей: антифрикционность (баббиты, фторопласт-4) позволяет не снижать эксплуатационные характеристики машины в целом, а износостойкость предохраняет трущиеся поверхности деталей от разрушения истиранием (трением)._ |