Конспект лекций по теме: «Материаловедение» для специальности 120100 "Технология машиностроения" (Объем лекций 80 часа)
| Вид материала | Конспект |
- Конспект лекций по теме: «Материаловедение» для специальности 120100 "Технология, 104.18kb.
- Рабочая программа по дисциплине сд ф. 07 «Режущий инструмент» для специальности 120100, 155.57kb.
- Методические указания По дипломному проектированию по специальности 120100 «Технология, 361.43kb.
- Конспект лекций для студентов специальности 060800 «Экономика и управление на предприятиях, 1055.33kb.
- Курс лекций Барнаул 2001 удк 621. 385 Хмелев В. Н., Обложкина А. Д. Материаловедение, 1417.04kb.
- Программа утверждена учебно-методической комиссией по специальности 20 г протокол, 147.98kb.
- Образовательный стандарт по специальности 120100 «Технология машиностроения» (код оксо, 137.56kb.
- Конспект лекций для студентов специальности 080504 Государственное и муниципальное, 962.37kb.
- Конспект лекций для студентов специальности 090804 "Физическая и биомедицинская электроника", 1000.94kb.
- План-конспект лекций по курсу: " Проектирование механосборочных цехов и заводов для, 1091.13kb.
Псковский индустриальный техникум
Кафедра технологии машиностроения
Электронный краткий конспект лекций
по теме:
«Материаловедение»
для специальности 120100 - "Технология машиностроения"
(Объем лекций - 80 часа)
Автор: преподаватель спец. дисциплин
Затравкина Н.А.
Введение.
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.
Основными материалами, используемыми в машиностроении, являются и еще долго будут оставаться металлы и их сплавы. Поэтому основной частью материаловедения является металловедение, в развитии которого, ведущую роль сыграли российские ученые: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. и другие.
В настоящих лекциях рассмотрены физические основы строения и свойств конструкционных материалов, приводятся широко используемые методы определения механических свойств материалов при различных видах нагружения, излагаются основы термической обработки и поверхностного упрочнения деталей, даются характеристики основных групп конструкционных материалов.
Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе
Целью преподавания дисциплины является научить инженеров применять основные методы управления конструкционной прочностью материалов и проводить обоснованный выбор материала для изделий с учетом условий их эксплуатации.
Для достижения поставленной цели при изучении дисциплины решаются следующие основные задачи:
- приобретение знаний по оценке технических свойств материалов, исходя из условий эксплуатации и изготовления изделия;
- формирование научно обоснованных представлений о возможностях рационального изменения технических свойств материала путем изменения его структуры;
- ознакомление со способами упрочнения материалов, обеспечивающими надежность изделий и инструментов;
- ознакомление с основными группами современных материалов, их свойствами и областью применения.
Преподавание дисциплины базируется на знаниях, полученных в курсе “Физика”:
На момент начала изучения дисциплины «Материаловедение» студентам необходимо знание следующих понятий: нагрузка, напряжение, деформация упругая и пластическая, работа, энергия, агрегатное состояние вещества, термодинамическая система, параметры термодинамической системы, внутренняя энергия, атомно-кристаллическое строение металлов, типы связей частиц в твердом теле, основные физические свойства металлов.
Материаловедение подготавливает студента к освоению специальных дисциплин изучающих основные производственные технологии и процессы.
Знание основ материаловедения необходимо технологу, инженеру, работающим в сфере эксплуатации современных машин и конструкций.
Библиографический список
- Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки. – М.: Металлургия, 1986.
- Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989.
- Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986.
- Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. – М.: Высш. шк., 1990.
- Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин А.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. –М.: Металлургия, 1981
- Лахтин Ю.М. Основы материаловедения. – М.: Металлургия, 1988.
- Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990.
- Материаловедение./ Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986.
- Материаловедение и конструкционные материаалы. \ Л.М. Пинчук и др. Минск: Высш. шк., 1989.
- Материаловедение и технология металлов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.:Высш.шк., 2002.
- Металловедение / А.И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский, Т.М. Кунявская и др. – М.: Металлургия, 1990.
- Металловедение и термическая обработка стали. Справочник. Т.1, Т.2, Т.3 – М.: Металлургия, 1983.
- Мозберг Р.К. Материаловедение. – М.: Высш. шк., 1991.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986.
- Технология металлов и материаловедение /Б.В. Кнорозов, Л.Ф. Усова, А.В. Третьяков и др. – М.:Металлургия, 1987.
- Технология металлов и конструкционные материалы, / Б.А. Кузьмин, Ю.Е. Абраменко, М.А. Кудрявцев и др. – М.: Машиностроение,1989.
- Ю.П. Солнцев, Е. И. Пряхин «Материаловедение» – СПб.: Химиздат, 2007, 783с.
-
-
Материаловедение. Краткие исторические сведения о развитии материаловедения.Материаловедение - прикладная наука, изучающая взаимосвязи между составом, строением и свойствами металлов и сплавов в различных условиях. Изучение этой дисциплины позволяет осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения. Металловедение - постоянно развивающаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счёт разработки новых сталей и сплавов, в свою очередь стимулирующих прогресс во всех областях науки и техники.
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.
Заметную роль в изучении природы металлов сыграли исследования французского учёного Реомюра (1683-1757). Ещё в 1722 году он провёл исследование строения зёрен в металлах. Англичанин Григнон ещё в 1775 году обратил внимание на то, что при затвердевании железа образуется столбчатая структура. Ему принадлежит известный рисунок дендрита, полученного при медленном затвердевании литого железа.
В России первым, кто начал научно осмысливать проблемы металлургии и литейного дела, был М.В. Ломоносов (1711-1765). Им написано учебное руководство «Первые основания металлургии рудных дел», в котором он, описывая металлургические процессы, постарался открыть их физико-химическую сущность.
Заметных успехов металловедение достигло лишь в 19 веке, что связано в первую очередь с использованием новых методов исследования структуры металла. В 1831 году П.П. Аносов (1799-1851) провёл исследование металла на полированных и протравленных шлифах, впервые применив микроскоп для исследования стали. Значительный вклад в развитие металловедения внесли работы русского учёного-металлурга П. П. Аносова (1799-1851), английских ученых Сорби и Роберта Аустена (1843-1902), немца А. Мартенса (1850-1914), Трооста и американца Э. Бейна (1891-1974), которые, каждый в своё время, рассматривая под микроскопом и фотографируя структуры, установили существование структурных превращений в сталях при их непрерывном охлаждении.
В 1873-1876 г.г Гиббс изложил основные законы фазового равновесия и, в частности, правило фаз, основываясь на законах термодинамики. Для решения практических задач знание фазового равновесия в той или иной системе необходимо, но не достаточно для определения состава и относительного количества фаз. Обязательно знать структуру сплавов, то есть атомное строение фаз, составляющих сплав, а также распределение, размер и форму кристаллов каждой фазы.
Создание научных основ металловедения по праву принадлежит Чернову Д.К. (1839 – 1903), который установил критические температуры фазовых превращений в сталях и их связь с количеством углерода в сталях. Этим были заложены основы для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов.
Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов заложил фундамент термической обработки стали. Критические точки в стали, позволили рационально выбирать температуру ее закалки, отпуска и пластической деформации в производственных условиях.
В своих работах по кристаллизации стали, и строению слитка Чернов изложил основные положения теории литья, не утратившие своего научного и практического значения в настоящее время.
Разработка в 1902 году американскими учёными Ф. Тейлором и М. Уайтом быстрорежущей стали произвела переворот в машиностроении. Резко возросла производительность механической обработки, появились новые быстроходные станки и автоматы.
В 1906 году немецкий исследователь А. Вильм создал высокопрочный сплав алюминия с медью – дуралюмин, прочность которого в результате старения в несколько раз превышала прочность технического алюминия и других алюминиевых сплавов при сохранении достаточного запаса пластичности. Использование дуралюмина в самолётостроении на многие годы определило прогресс в этой области техники.
Немецким инженером заводов Круппа Мауэром и профессором Штраусом в 1912 году была получена хромоникелевая аустенитная нержавеющая сталь, а в 1912году Бренли – ферритная нержавеющая сталь.
20 век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники, открыты и использованы свойства полупроводников. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химикотермической обработкой. Огромное значение для развития отечественного материаловедения в наше время имели работы А.А. Бочарова, Г.В. Курдюмова, В. Д. Садовского и В. А. Каргина.
Определение атомного строения фаз стало возможным после открытия Лауэ (1912 г), показавшего, что атомы в кристалле регулярно заполняют пространство, образуя пространственную дифракционную решетку, и что рентгеновские лучи имеют волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей на такой решетке дает возможность исследовать строение кристаллов.
В последнее время для структурного анализа, кроме рентгеновских лучей, используют электроны и нейтроны. Соответствующие методы исследования называются электронографией и нейтронографией. Электронная оптика позволила усовершенствовать микроскопию. В настоящее время на электронных микроскопах полезное максимальное увеличение доведено до 100 000 раз.
В пятидесятых годах, когда началось исследование природы свойств металлических материалов, было показано, что большинство наиболее важных свойств, в том числе сопротивление пластической деформации и разрушению в различных условиях нагружения, зависит от особенностей тонкого кристаллического строения. Этот вывод способствовал привлечению физических теорий о строении реальных металлов для объяснения многих непонятных явлений и для конструирования сплавов с заданными механическими свойствами. Благодаря теории дислокаций, удалось получить достоверные сведения об изменениях в металлах при их пластической деформации.
Современное развитие материаловедения как науки.
Особенно интенсивно развивается металловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики.
Основными направлениями в развитии металловедения является разработка способов производства чистых и сверхчистых металлов, свойства которых сильно отличаются от свойств металлов технической чистоты, с которыми преимущественно работают. Генеральной задачей материаловедения является создание материалов с заранее расчитаными свойствами применительно к заданным параметрам и условиям работы. Большое внимание уделяется изучению металлов в экстремальных условиях (низкие и высокие температуры и давление).
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
По данным института имени Байкова А.Н. в нашей стране есть все условия чтобы в течении 10…15 лет машиностроение могло перейти на выпуск алюминиево-титановой подвижной техники, которая отличается легкостью, коррозионной стойкостью и большим безремонтным ресурсом.
Важное значение имеет устранение отставания нашей страны в области использования новых материалов взамен традиционных (металлических) – пластмасс, керамики, материалов порошковой металлургии, особенно композиционных материалов, что экономит дефицитные металлы, снижает затраты энергии на производство материалов, уменьшает массу изделий.
Расчетами установлено, что замена ряда металлических деталей легкового автомобиля на углепластики из эпоксидной смолы, армированной углеродными волокнами, позволит уменьшить массу машины на 40%; она станет более прочной; уменьшится расход топлива, резко возрастет стойкость против коррозии.
Лекция №1
Строение и свойства материалов.
- Металлы и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения металлов.
- Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение.
- Дефекты кристаллического строения:
а.Точеные дефекты
б.Линейные дефекты:
Простейшие виды дислокаций – краевые и винтовые.
в.Поверхностные несовершенства.
4.Методы исследования структуры металлов и сплавов:
а.Макроскопический анализ.
б.Микроскопический анализ.
в.Рентгеноструктурный анализ и рентгеновская дефектоскопия.
Металлы и неметаллы. Особенности атомно-кристаллического строения
Все твёрдые тела делятся на а м о р ф н ы е и к р и с т а л л и ч е с к и е.
В аморфных телах атомы расположены хаотично, т. е. в беспорядке, без всякой системы Примерами аморфных тел могут служить стекло, клей, воск, канифоль,… .
В кристаллических телах атомы расположены в строго определённой последовательности. К телам с кристаллическим строением относят поваренную соль, кварц, сахарный песок, металлы и сплавы.
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:
- «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
- пластичность;
- высокая теплопроводность;
- высокая электропроводность.
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
размеры рёбер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решётки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определёнными.
углы между осями (
). координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)
Рис.1.1. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная
Основными типами кристаллических решёток являются:
- Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti,
)
- Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au,
)
- Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
Понятие об изотропии и анизотропии. Особенности металлов, как тел имеющих кристаллическое строение.
Из изложенного выше уясним, что характерные признаки металлов обусловлены их внутренним строением, т. е. структурой. Геометрическая правильность расположения атомов в кристаллических решётках придаёт металлам особенности, которых нет у аморфных тел.
1.Первой особенностью металлов является анизотропия свойств кристаллов, т. е. различие свойств кристаллов в разных направлениях.
Свойства тела зависят от природы атомов, из которых оно состоит, и от силы взаимодействия между этими атомами. Силы взаимодействия между атомами в значительной степени определяются расстояниями между ними. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве расстояния между атомами в различных направлениях равны, следовательно, свойства будут одинаковые, то есть аморфные тела изотропны.
В кристаллических телах атомы правильно располагаются в пространстве, причем по разным направлениям расстояния между атомами неодинаковы, что предопределяет существенные различия в силах взаимодействия между ними и, в конечном результате, разные свойства. Зависимость свойств от направления называется анизотропией
Чтобы понять явление анизотропии необходимо выделить кристаллографические плоскости и кристаллографические направления в кристалле.
Плоскость, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографической плоскостью.
Прямая, проходящая через узлы кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.
Для обозначения кристаллографических плоскостей и направлений пользуются индексами Миллера. Чтобы установить индексы Миллера, элементарную ячейку вписывают в пространственную систему координат (оси X,Y, Z – кристаллографические оси). За единицу измерения принимается период решетки.
Рис.1.3. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей (а) и кристаллографических направлений (б)
Для определения индексов кристаллографической кристаллографической плоскости необходимо:
установить координаты точек пересечения плоскости с осями координат в единицах периода решетки;
взять обратные значения этих величин;
привести их к наименьшему целому кратному, каждому из полученных чисел.
Полученные значения простых целых чисел, не имеющие общего множителя, являются индексами Миллера для плоскости, указываются в круглых скобках. Примеры обозначения кристаллографических плоскостей на рис. 1.3 а.
Другими словами, индекс по оси показывает на сколько частей плоскость делит осевую единицу по данной оси. Плоскости, параллельные оси, имеют по ней индекс 0 (110)
Ориентация прямой определяется координатами двух точек. Для определения индексов кристаллографического направления необходимо:
одну точку направления совместить с началом координат;
установить координаты любой другой точки, лежащей на прямой, в единицах периода решетки
привести отношение этих координат к отношению трех наименьших целыж чисел.
Индексы кристаллографических направлений указываются в квадратных скобках [111]
В кубической решетке индексы направления, перпендикулярного плоскости (hkl) имеют те же индексы [hkl].
У металлических тел анизотропия свойств не выражена так резко, как у отдельных кристаллов. Металлы являются поликристаллическими телами, т. е. они состоят не из одного, а из бесчисленного количества кристаллов, по-разному ориентированных. Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается приблизительно одинаковое количество различно ориентированных кристаллов. В результате получается, что свойства поликристаллических тел будут одинаковы во всех направлениях -----это явление получило название «квазиизотропия» (ложная изотропия).
2.Второй особенностью металлов как тел кристаллического строения является наличие у них плоскостей скольжения (спайности).
По этим плоскостям происходит сдвиг или отрыв (разрушение) частиц кристаллов под действием внешних усилий. У аморфных тел смещение частиц происходит не по определённым плоскостям, а беспорядочно. Излом аморфного тела всегда имеет неправильную, искривлённую форму.
3.Третьей особенностью металлов как тел кристаллического строения является то, что процесс перехода их из твёрдого состояния в жидкое и наоборот происходит при определённой температуре, называемой температурой плавления (затвердевания). Аморфные тела переходят в жидкое состояние постепенно и не имеют определённой температуры плавления.