Что называется структурой материалов материаловедение кратко

Обновлено: 07.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

Тема: Введение. Структура и свойства материалов.

Цель: рассмотреть значение и содержание предмета, связь его с другими дисциплинами; новейшие достижения и перспективы развития в области материаловедения; изучить структуру и свойства материалов.

Основные понятия:

1. История материаловедения.

2. Предмет материаловедение.

3. Тенденции и перспективы развития материаловедения.

4. Структура материалов.

А. Атом. Молекула. Химическая связь.

Б. Фазовое состояние вещества

История материаловедения.

Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно – каменным, а затем бронзовым и железным веками.

Изготовив первые орудия труда из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры, освоил обжиг глины. Следующим этапом освоения материалов стало плавление и литье меди, затем открытие оловянной бронзы и освоение железа.

Бро́нза — сплав меди, обычно с оловом в качестве основного компонента, но к бронзам также относят медные сплавы с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка (это латунь) и никеля (это мельхиор). Как правило, в любой бронзе в незначительных количествах присутствуют добавки: цинк, свинец, фосфор и др.

Совершенствовалась технология переплавки металлических руд, прокаливанием и ковкой полуфабрикатов стали получать кузнечное дело.

Новую эпоху в развитии материалов открыло использование энергии падающей воды для привода машин. Появилась возможность нагревать металл до температур, превышающих температуру плавления железа, перерабатывать расплав в ковкое железо, очищать металлы от примесей. Эти достижения в области производства материалов определяли уровень технического развития на протяжении многих веков.

Превращение ручных мануфактур в фабричную систему использования машин привело к изменению уровня техники и технологии материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в саль. Были изобретены три процесса производства стали, названных по имени их создателей, - бессемеровский, мартеновский, томасовский.

Рост промышленности требовал больших объемов материалов. В связи с этим возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Начиная с XIX в. Материаловедение стало прикладной наукой. Научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлургического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки.

Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной технике.

Предмет материаловедения.

Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.

Материалы – это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные – для проведения производственных процессов.

Различают следующие разновидности материалов:

сырье , или сырые материалы , которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);

полуфабрикат - переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки для того, чтобы стать изделием, годным к потреблению.

Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.

Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении. Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметаллических материалов, горюче-смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей, применяемых в конструкциях автомобилей и необходимых для их эксплуатации и ремонта, рассматривает материаловедение.

Материаловедение - наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.)

Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.

Тенденции и перспективы развития материаловедения.

При создании новых изделий всегда ставиться цель повышения эффективности и качества известных, существующих изделий: увеличение рабочих давлений, скорости и температуры, снижение массы изделий, приходящейся на единицу создаваемой или передаваемой мощности. В лучших образцах техники реализуются последние достижения науки. Работоспособность машин тесно связана с достижениями материаловедения.

Тенденция машиностроения к уменьшению эффективной массы изделий, т.е. приходящейся на единицу мощности или производительности машин, обусловливает необходимость разработки материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плотностью. Примером таких материалов служат сплавы магния и лития, изделия из которых по сопротивлению деформированию превосходят конструкции той же массы из стали и титана. В качестве легких заполнителей силовых конструкций, демпфирующих, тепло- и звукоизолирующих элементов в современной технике используют большую группу газонаполненных материалов.

Низкие значения прочности стали при высоких температурах были барьером для дальнейшего развития двигателестроения. В настоящее время эта проблема решена путем переработки металлов в гранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия. Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Изучаются перспективы использования керамических деталей в двигателях внутреннего сгорания. Целью такого применения керамики является возможность повышения рабочей температуры в камере сгорания при одновременном снижении массы агрегата, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя.

Ужесточение технико-экономических требований к материалам и ограниченность сырьевых ресурсов обусловили рост потребления традиционных материалов на новом технологическом уровне - в сочетании с усиливающими их элементами из более прочных материалов. Такие материалы получили название композиционных. Использование их способствует повышению работоспособности техники, снижению себестоимости продукции, организации гибких производств. Но производство некоторых из них связано с опасностью для здоровья людей на рабочих местах, создает дополнительные проблемы для защиты окружающей среды. Поэтому важной задачей является разработка мероприятий, которые позволят извлечь максимальную выгоду из этого направления материаловедения.

Актуальной остается проблема защиты материалов от химического взаимодействия с окружающей средой. Рост агрессивности окружающей среды приводит к увеличению затрат на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Для принятий мер по стабилизации свойств материалов, для прогнозирования работоспособности механизмов и машин необходимо знать закономерности строения материалов, т.е. происходящие во времени изменения их структуры и свойств.

Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделие и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования их срока службы.

Структура материалов.

Технологическое значение материалов зависит от строения и выражается в их свойствах. Строение материалов характеризует структура.

Структура – совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при внешних и внутренних изменениях.

Структура материалов определяется множеством факторов:

строением атомов, ионов, молекул

распределением в них электронов

типом связей между частицами и т.д.

В материаловедении принято рассматривать три уровня строения материалов: атом – молекула – фаза.

Атом. Молекула. Химическая связь.

Всякое вещество не является чем-то сплошным, а состоит из отдельных очень маленьких частиц.

Для большинства веществ частицы представляют собой молекулы. Молекулы в свою очередь состоят из атомов.

Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.

В состав молекулы может входить различное число атомов. При этом атомы могут соединяться друг с другом не только в различных соотношениях, но и различным образом. Поэтому при сравнительно небольшом числе химических элементов число различных веществ очень велико.

Молекулы сложных веществ состоят из различных атомов, вступивших в химическое взаимодействие. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, вступивших в химическое взаимодействие.

К образованию устойчивой многоатомной системы (молекулы, кристалла) приводит химическая связь между атомами, которая может возникать при их взаимодействии.

Химическая связь , взаимное притяжение атомов, приводящее к образованию молекул и кристаллов.

Важнейшие виды химической связи:

Ковалентная связь – наиболее общий вид химической связи, возникающий за счет обобществления электронной пары посредством обменного механизма, когда каждый из взаимодействующих атомов поставляет по одному электрону, или по донорно-акцепторному механизму, если электронная пара передается в общее пользование одним атомом (донором) другому атому (акцептору) (рис. 1).

Обменный (а) и донорно-акцепторный (б) механизмы образования ковалентной связи

Ионная связь – частный случай ковалентной, когда образовавшаяся электронная пара полностью принадлежит более электроотрицательному атому, становящемуся анионом. Основой для выделения этой связи в отдельный тип служит то обстоятельство, что соединения с такой связью можно описывать в электростатическом приближении, считая ионную связь обусловленной притяжением положительных и отрицательных ионов.

Металлическая связь возникает в результате частичной делокализации валентных электронов, которые достаточно свободно движутся в решетке металлов, электростатически взаимодействуя с положительно заряженными ионами. Силы связи не локализованы и не направлены, а делокализированные электроны обусловливают высокую тепло- и электропроводность.

Фазовое состояние вещества.

Рассматриваемое вещество или совокупность веществ принято называть системой . При этом системе противопоставляется внешняя среда — вещества, окружающие систему. Состояние системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени при неизменных внешних условиях, называют равновесным .

гомогенные , которые состоят из одной фазы;

гетерогенные , которые состоят из нескольких фаз.

Фазой называется часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от остальных частей поверхностями раздела.

Например, однородный чистый металл или сплав является однофазной (гомогенной) системой. Состояние, когда одновременно присутствуют жидкий сплав (металл) и кристаллы, будет представлять двухфазную (гетерогенную) систему.

Системой называют совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия.

При изменении внешних условий (температуры, давления, напряженности электрического поля и др.) вещество может переходить из одной фазы в другую. Такой переход называют фазовым. К фазовым переходам относятся испарение и конденсация, плавление и затвердевание и др.

При фазовых переходах скачкообразно изменяется ряд физических свойств вещества (плотность, концентрация компонентов и др.). В зависимости от физических условий, главным образом от температуры и давления, вещества могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Эти состояния вещества называют агрегатными .

В учебном пособии представлены данные по составу, структуре, свойствам, областям применения основных видов материалов: сталям, чугунам, цветным и редким металлам и сплавам, сплавам с особыми физическими свойствами, полимерам, керамике, стеклу, композиционным материалам, древесным материалам, строительным материалам и наноматериалам. Учебно-методическая информация, содержащаяся в пособии, позволяет студентам самостоятельно изучать курс материаловедения.

Учебное пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов. Может быть использовано как краткий справочник.

В.М. Матюнин, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва.

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ.

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ.

Теоретические материалы. 12

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 12

1.1. Материаловедение, основные понятия. 12

1.2. Количество материалов. 13

1.3. Классификация материалов по назначению. 14

1.4. Агрегатные состояния вещества. 16

1.5. Кристаллическая структура веществ. 17

1.6. Дефекты в кристаллической структуре веществ. 23

1.7. Уровни структуры материалов. 27

1.8. Физико-химический анализ. Диаграммы состояния. 28

1.9. Сплавы, твёрдые растворы. 35

1.10. Химические соединения. 38

1.11. Зёренная структура поликристаллических материалов. 40

1.12. Основные механические свойства материалов. 43

Вопросы для самопроверки. 51

Глава 2. Стали. 54

2.1. Полиморфизм и свойства железа. 54

2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe₃C. 56

2.3. Сравнение основных свойств сталей и чугунов. 59

2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии. 61

2.5. Стали. Классификация сталей. 65

2.6. Термическая обработка и фазовые превращения в сталях. 67

2.7. Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении. 68

2.8. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение. 71

2.9. Основные виды термической обработки стали. 77

2.9.2. Нормализация. 79

2.9.4. Отпуск стали. 82

2.10. Углеродистые стали. 85

2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали. 88

2.12. Легирующие элементы. Легированные стали, их маркировка. 90

2.13. Жаропрочные и жаростойкие стали. 100

2.14. Коррозионно стойкие стали. 105

Вопросы для самопроверки. 108

Глава 3. Чугуны. 110

3.1. Чугуны, химические и фазовые составы. 110

3.2. Преимущества чугунов. 113

3.3. Виды чугунов доменного производства. 114

3.4. Классификация и маркировка чугунов. 114

3.5. Модифицирование чугунов. 116

3.6. Белый чугун. 120

3.7. Серый чугун. 121

3.8. Высокопрочный чугун. 123

3.9. Ковкий чугун. 125

3.10. Легированные чугуны. 126

3.11. Другие виды чугунов. 131

Вопросы для самопроверки. 134

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 136

4.1. Классификация цветных и редких металлов. 136

4.2. Лёгкие металлы. 138

4.3. Магний и его сплавы. 138

4.4. Применение магния и магниевых сплавов. 141

4.5. Алюминий и его сплавы. 142

4.6. Маркировка алюминиевых сплавов. 144

4.7. Классификация алюминиевых сплавов. 146

4.8. Области применения алюминиевых сплавов. 161

4.10. Области применения титана. 161

4.11. Медь и медные сплавы. 163

4.14. Марки и области применения бронз. 170

4.15. Сплавы меди мельхиор, нейзильбер, куниаль. 171

4.16. Свинец и цинк. 174

4.17. Никель и кобальт. 175

Вопросы для самопроверки. 179

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 180

5.1. Металлические проводниковые материалы. 180

5.2. Электромеханические свойства меди и алюминия. 182

5.3. Перспективы развития проводниковых материалов. 184

5.4. Полупроводниковые материалы. 186

5.5. Магнитные материалы. 189

5.6. Тугоплавкие металлы и сплавы. 190

5.7. Сверхпроводящие материалы. 193

5.8. Сплавы с эффектом памяти формы. 197

Вопросы для самопроверки. 198

Глава 6. Полимеры. 200

6.1. Общие сведения. 200

6.2. Классификация полимеров. 201

6.2.1. Классификация по происхождению. 202

6.2.2. Классификация по структурным признакам. 202

6.3. Общие свойства полимеров. 203

6.3.1. Физические свойства. 204

6.3.2. Механические свойства. 204

6.3.3. Теплофизические свойства. 205

6.3.4. Химические свойства. 205

6.3.5. Электрические свойства. 206

6.3.6. Технологические свойства. 207

6.3.7. Старение полимеров. 208

6.3.8. Радиационная стойкость полимеров. Абляция. 208

6.4. Пластические массы. 209

6.5. Виды пластических масс. 210

6.5.1. Полиэтилен. 210

6.5.2. Полипропилен. 212

6.5.3. Поливинилхлорид. 212

6.5.4. Полистирол. 213

6.5.5. Фторопласты. 214

6.5.6. Полиимид. 216

6.5.7. Полиакрилаты. 217

6.5.8. Фенолформальдегидные смолы (ФФС). 217

6.5.9. Эпоксидные смолы. 219

6.5.10. Поликарбонатые полимеры. 220

6.6. Каучук, природный каучук. 223

6.7. Синтетические каучуки. 225

6.9. Синтетические эмали, лаки, компаунды. 230

6.10. Полимерные клеи. 231

6.11. Полимеры в медицине. 233

6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров. 234

6.13. Неорганический полимер - асбест. 237

Вопросы для самоконтроля. 240

Глава 7. Керамика. 242

7.1. Понятие керамики. 242

7.2. Керамика как альтернативный материал. 243

7.3. Состав керамики. 244

7.3.1. Глинистые породы. 244

7.3.2. Свойства глин. 246

7.3.3. Керамика на основе технических оксидов. 248

7.3.4. Керамика на основе бескислородного технического сырья. 249

7.4. Структура керамики. 250

7.5. Свойства керамики. 250

7.6. Керамика на основе глинистого сырья. 252

7.6.4.Огнеупорная керамика на основе глин. 255

7.7. Виды технической керамики. 256

7.7.1. Масштабы производства высокотехнологичной керамики. 256

7.7.2. Керамические, пьезокерамические материалы. 256

7.7.3. Керамические материалы с химическими функциями.. 257

7.7.4. Керамические материалы для ядерной энергетики. 257

7.7.5. Конструкционная керамика. 258

7.8. Характеристики некоторых керамик. 259

7.8.1. Высокоглиноземистая керамика. 259

7.8.2. Керамика из нитрида и карбида кремния. 260

7.8.3. Другие виды технической керамики. 261

Вопросы для самопроверки. 262

Глава 8. Стекло. 264

8.1. История стекла. 264

8.2. Отличительные особенности стекла как материала. 266

8.3. Структура веществ в стеклообразном состоянии. 267

8.3.1. Кристаллическое и стеклообразное состояния. 267

8.3.2. Кристаллохимическое описание строения стекол. 268

8.3.3. Кварцевое стекло. 269

8.3.4. Бинарные щелочно-силикатные стекла. 270

8.3.5. Фосфатные стекла. 271

8.3.6. Микронеоднородное строение стекол. 271

8.4. Классификация стекол по составу. 272

8.5. Свойства стекол. 273

8.6. Виды стёкол. 281

Вопросы для самопроверки. 293

Глава 9. Композиционные материалы. 295

9.1. Строение и признаки композиционных материалов. 295

9.2. Классификация. 297

9.3. Физико-химические основы создания композиционных материалов. 299

9.4. Области применения композиционных материалов. 300

9.5. Виды композиционных материалов. 301

9.5.1. Композиционные материалы с металлической матрицей. 301

9.5.2. Волокнистые композиционные материалы. 301

9.5.3. Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы. 302

9.5.4. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. 301

9.5.5. Углепласты. 305

9.5.6. Бороволокниты. 309

9.5.7. Органоволокниты. 310

9.6. Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами. 311

9.7. Основные методы получения композиционных материалов. 313

Вопросы для самопроверки. 314

Глава 10. Древесные материалы. 315

10.1. Древесина как материал. 315

10.2. Лиственные и хвойные породы. 316

10.3. Части дерева. 316

10.4. Макроскопическое строение дерева. 318

10.5. Химический состав древесины и её микроскопическое строение. 320

10.6. Физические свойства. 322

10.7. Механические свойства. 325

10.8. Пороки древесины. 328

10.9. Виды хвойных пород. 333

10.10. Виды лиственных пород. 335

10.11. Пиломатериалы и продукты переработки древесины. 339

10.12. Виды изделий из дерева. 341

10.13. Модифицированная древесина. 343

10.14. Термически обработанная древесина (термодревесина). 344

10.15. Области применения древесины. 346

10.16. Скрипка. 348

Вопросы для самоконтроля. 351

Глава 11. Строительные материалы. 354

11.1. Виды строительных материалов. 354

11.2. Цемент, портландцемент. 356

11.3. Цементные растворы. 358

11.4. Бетон. Классификация бетонов. 359

11.5. Компоненты бетона. 361

11.6. Марка, класс и прочность бетона. 363

11.7. Лёгкие бетоны. 364

11.8. Тяжелые бетоны. 367

11.9. Кирпич строительный. 368

11.9.1. Размеры кирпича. 369

11.9.2. Пустотность кирпича. 369

11.9.3. Марка кирпича. 370

11.9.4. Морозостойкость кирпича. 371

11.9.5. Строительные кирпичи. 371

11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны. 374

Вопросы для самопроверки. 376

Глава 12. Наноматериалы. 378

12.1. Терминология наноразмерных объектов 379

12.2. Физические причины специфики наноматериалов 380

12.3. Классификация наноматериалов 383

12.4. Фуллерены, фуллериты 389

12.5.Углеродные нанотрубки. 391

12.7. Размерность процессоров. 400

12.8. Фториды редкоземельных элементов 404

Вопросы для самопроверки. 410

Тесты для самоконтроля. 414

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов. 414

Глава 2. Стали. 413

Глава 3. Чугуны. 419

Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы. 421

Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами. 424

Глава 6. Полимерные материалы. 427

Глава 7. Керамика. 429

Глава 8. Стекло. 430

Глава 9. Композиционные материалы. 432

Глава 10. Древесные материалы. 433

Глава 11. Строительные материалы. 435

Глава 12. Наноструктурированные материалы. 436

Ключи к тестам для самоконтроля. 437

Задания для курсовой работы. 438

Вопросы для подготовки к экзамену. 441

Список источников информации. 459

Предисловие.

Представляемое учебное пособие состоит из двенадцати глав. В первой главе рассматривается кристаллическая структура веществ, в последующих одиннадцати главах – материалы: стали, чугуны, цветные металлы, металлы и сплавы с особыми физическими свойствами, полимеры, керамика, стекло, композиционные материалы, древесина, строительные материалы, наноматериалы.

Книга написана на основе многолетнего опыта преподавания авторов на физическом, химическом и экономическом факультетах, а также в Институте математики, естественных наук и информационных технологий и Институте дистанционного обучения Тюменского государственного университета.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам:

В.М. Матюнину доктору технических наук, профессору кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва;

И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ;

А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ;

за внимательное прочтение рукописи и сделанные ценные замечания.

Книга подготовлена к изданию при финансовой поддерки НИР 7-12 (3.3763.2011).

Теоретические материалы.

Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.

Уровень материалов определяет уровень развития цивилизации

Цель:

Сформировать представление о материаловедении как о науке, изучающей строение и свойства материалов.

Задачи:

- прочитать и понять определения данные в разделе;

- привести свои примеры различных видов материалов.

- представить, как устроена кристаллическая структура, и какие виды элементарных ячеек в ней выделяют;

- понять основные определения кристаллохимии;

- ознакомиться с основными видами элементарных ячеек металлов и понять, как им присваиваются краткие обозначения;

- уяснить в чём различия между точечными и линейными дефектами в реальной структуре веществ;

- узнать, как строится диаграмма состояния;

- выяснить, какими механическими свойствами характеризуются материалы и как данные свойства измеряются.

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.028)

Читайте также: