Министерство образования РФ
Государственное бюджетное федеральное
образовательное учреждение
Уфимский государственный авиационный технический университет
Кафедра Материаловедения и физики металлов
Ф. Ш. ШАРИФЬЯНОВ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Разделы: I, II, III, IV,V,VI,VII
Уфа 2006-13
СОДЕРЖАНИЕ
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ
Материаловедение как наука занимается изучением связи между сос-тавом, строением и свойствами материалов. Свойства материалов опреде-ляются не только химическим составом, но и их структурой (внутренним строением). Изменять структуру можно различными способами: легированием, гранулированием, деформированием, термической, химико-термической и термомеханической обработками и др. На структуру и свойства материалов также оказывают влияние высокое давление, вакуум, ультразвук, скорость охлаждения, ядерное облучение, обработка лазером, космические условия и т. д. Главное в материаловедении это достижение необходимых свойств материа-лов подбором их состава и структуры.
Материаловедение включает два больших раздела:
• металлы и сплавы;
• неметаллические материалы.
Основными конструкционными материалами, используемыми в машиностроении, ещё долго будут оставаться металлические сплавы. Это связано с тем, что металлы и сплавы на их основе обладают комплексом механических, физических, химических и технологических свойств, обеспечи-вающих широкое их применение в различных отраслях техники. Кроме того, металлы и сплавы составляют 85…95 % от массы машин. Поэтому при изучении материаловедения металлам и их сплавам уделяется главное внимание.
Все металлы условно делят на черные (железо и сплавы на его основе — сталь, чугун) и цветные (все остальные). Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы на основе железа. Они составляют более 90 % всей металлопродукции. Поэтому много лет основой машиностроения служили чёрные металлы - стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность и низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют до 20 % годового производства изделий из стали и чугуна.
Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. В связи с этим наряду со сталями всё шире используются такие конструкционные материалы, как сплавы на основе титана, алюминия, магния. Эти лёгкие и прочные сплавы позволяют в 2…3 раза облегчить конструкцию машин и оборудования, в десятки раз уменьшить расходы на ремонт.
Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина, композиционные материалы и др. Использование неметаллических материалов приводит к экономии дефицитных металлических материалов, снижает затраты энергии на производство изделий, уменьшает их массу. Установлено, что один кг конструкционных пластмасс заменяет 4…5 кг чёрных металлов. Трудоёмкость выпуска одной тонны пластмассовых изделий в среднем на 450 человеко-часов меньше, чем того же количества металлических. При этом в 2…3 раза уменьшаются затраты и энергоресурсов. Но использование их в промышленности невелико (до 4 %) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось.
Наблюдается тенденция к всё большей разработке и использованию технической керамики на основе самых распространённых в природе элементов – N, C, Si, O2 и другие, которые имеют практически неограниченную сырьевую базу.
Материаловедение базируется на научных основах химии, физики и новейших достижениях в области технологии получения полуфабрикатов и изделий.
Знания основ материаловедения необходимы каждому специалисту, работающему в области создания и эксплуатации современных машин. Лишь зная свойства материалов, можно конструктору – научно обоснованно выбрать их для того или иного использования, технологу правильно спроектировать технологический процесс их обработки с высокими технико-экономическими показателями, экономисту машиностроительного производства – правильно рассчитать экономическую эффективность выбранной технологии и технологического оборудования.
Материаловедение подготавливает студента к освоению специальных дисциплин, изучающих основные производственные технологии и процессы.
Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирова-ния структуры и свойств материалов при их различных способах обработки литьём, давлением (пластической деформацией), термической обработке, а также при эксплуатации для эффективного их использования в технике.
Основными задачами материаловедения являются:
•правильный выбор материала и способа его обработки для конкретной детали, работающей в определённых условиях;
•создание новых материалов с заданным комплексом свойств и улучшение существующих сплавов;
•изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения,
•сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.
Контрольные вопросы
1. Что изучает материаловедение?
2. Какие задачи решает материаловедение?
3. Почему металлы являются главными конструкционными материалами в машиностроении?
4. Какие недостатки имеют чёрные металлы как конструкционные материалы? 5.
1. Качество материалов и методы его определения
Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качества определяется соответствующими показателями, представ-ляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям изготовления и использования.
По количеству характеризуемых свойств показатели качества подразделяются на единичные и комплексные. Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали). Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами продукции. При этом продукция считается качественной только в том случае, если весь комплекс оцениваемых свойств удовлетворяет установленным требованиям качества. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценка химического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.
По стадии определения качества различают контроль предварительный, промежуточный и окончательный. При предварительном контроле оценивается качество исходного сырья, при промежуточном — соблюдение установлен-ного технологического процесса. Окончательный контроль определяет качество готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам. Годной считается продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов и технических условий. Продукция, имеющая дефекты и отклонения от стандартов, считается браком.
Качество материала определяется главным образом его свойствами, химическим составом и структурой. Причем свойства материала зависят от структуры, которая, в свою очередь, зависит от химического состава и способов обработки.
Поэтому при оценке качества могут определяться свойства, состав и оцениваться структура материала. Свойства материалов и методы определения некоторых из них изложены ниже, в разделе 1.2. Существуют различные методы изучения структуры металлов. С помощью макроанализа изучают структуру, видимую невооруженным глазом или при небольшом увеличении с помощью лупы. Макроструктуру изучают на специальных макрошлифах. Макрошлиф представляет собой определённое сечение исследуемого материала (детали), которое подвергается шлифовке, полировке и травлению специальными реактивами. Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины и др.).
Микроанализом называется изучение структуры с помощью оптического или электронного микроскопа. Оптический микроскоп позволяет изучать микроструктуру при увеличении до 1500 раз, а электронный микроскоп - при увеличении до 25 000 раз. Разрешающая способность оптического микроскопа, т. е. минимальная величина объёма (детали структуры), которая различима с его помощью, не превышает 0,2 мкм (200 нм). Использование увеличений более 1500 раз бесполезно, поскольку мелкие детали структуры не становятся видимыми, меняется только масштаб изображения, а разрешающая способность не меняется из-за волновой природы света. Для изучения микроструктуры готовят микрошлиф, аналогично макрошлифу. Они различаются только размерами. Микрошлиф готовится из небольших кусков вырезанного металла.
Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше оптических. Использование электронных лучей, обладающих очень малой длиной волны, составляющей 0,004…0,012 нм даёт возможность различать детали тонкой структуры размером до 0,2…0,5 нм. Для изучения атомно-кристаллического строения применяют рентгеноструктурный анализ. Он основан на дифракции рентгеновких лучей с очень малой длиной волны (0,02…0,2 нм) рядами атомов в кристаллической решётке.
Рентгеноструктурный анализ особенно широко применяют для изучения кристаллической структуры металлов и выявления внутренних дефектов. Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через материал и через дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения рентге-новских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали — до 300 мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона позволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, так как проникающая способность радио-волн в металлических материалах невелика.
Химический состав может определяться химическим или спектральным анализом. Для изучения распределения примесей и легирующих элементов в сплавах широко применяют метод рентгеноспектрального анализа. Этот метод розволяет определить химсостав сплава в очень малых микрообъёмах. На металлографическом микрошлифе (на участке порядка одного микрона).
Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными свойствами и основана на искажении магнитного поля в местах дефектов.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине. Она основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется. Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями.
В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.
Контрольные вопросы
1. Что называется качеством материала?
2. Как определяется уровень качества материалов?
3. Какие бывают показатели качества по количеству характеризуемых свойств?
4. Какие виды контроля различают по стадии определения качества?
5. По каким параметрам определяется качество материала?
6. В чём заключается метод макроструктурного анализа и в каких случаях он применяется?
7. Какой объект называется шлифом и в чём различие между макро- и микрошлифом?
8. В чём заключается микроструктурный анализ, какие приборы используются для этого, какие используются увеличения? Что называется разрешающей способностью?
9. С какой целью применяется рентгеноструктурный и спектральный анализ?
10. Какие методы дефектоскопии металлов Вы знаете?