Материаловедение курс лекций
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ |
|
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МЕТАЛЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ |
|
2. АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ |
|
2.1. Строение реальных кристаллов |
|
2.2. Дефекты кристаллического строения |
|
2.3. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм |
|
3. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ |
|
3.1. Энергетические условия процесса кристаллизации |
|
3.2. Механизм процесса кристаллизации |
|
3.3. Аморфное состояние металлов |
|
3.4. Реальная форма кристаллических образований |
|
3.5. Получение монокристаллов |
|
3.6. Жидкие кристаллы |
|
3.7. Строение стального слитка |
|
3.8. Методы исследования структуры |
|
4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТЬВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ |
|
4.1. Упругая и пластическая деформация. Несовершенства решетки и прочность металлов |
|
4.2. Методы испытаний металлов и сплавов |
|
4.3. Конструкционная прочность металлов и сплавов |
|
4.4. Пути повышения прочности металлов |
|
4.5. Влияние нагрева на строение и свойства деформированного металла (рекристаллизация) |
|
5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ |
|
5.1. Строение сплавов |
|
5.2. Химические соединения |
|
5.3. Электронные соединения (фазы ЮМ-РОЗАРИ) |
|
5.4. Механические смеси |
|
6. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ |
|
6.1. Построение диаграмм состояния (равновесия) |
|
6.2. Правило отрезков или правило рычага |
|
6.3. Диаграмма состояния для сплавов, образующих механические смеси из чистых компонентов (I рода) |
|
6.4. Диаграмма состояния для сплавов с ограниченной растворимостью в твердом состоянии (III рода) |
|
6.5. Диаграмма с перитектикой |
|
6.6. Диаграмма для сплавов, образующих химические соединения (IV рода) |
|
6.7. Диаграмма состояния для сплавов, испытывающих полиморфные превращения |
|
6.8. Связь диаграммы состояния сплава с его свойствами |
|
7. АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ «ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД» |
|
7.1. Характеристика линий и точек диаграммы «железо-углерод» |
|
7.2. Практическое применение диаграммы «железо-углерод» |
|
7.3. Классификация сплавов системы «железо-углерод» |
|
8. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ |
|
8.1. Четыре основные превращения в стали |
|
8.2. Превращения в стали при нагреве – образование аустенита (I превращение) |
|
8.3. Превращение в стали при охлаждении (II превращение) |
|
8.4. Перлитное превращение |
|
8.5. Бейнитное превращение |
|
8.6. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении |
|
8.7. Мартенситное превращение (III превращение) |
|
8.8. Превращение в закаленной стали при нагреве (IV превращение) |
|
9. ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ |
|
9.1. Основные составляющие технологического процесса термической обработки |
|
9.2. Классификация видов термической обработки |
|
9.3. Способы закалки |
|
9.4. Закаливаемость и прокаливаемость |
|
10. ВНУТРЕННИЕ НАПРЯЖЕНИЯ |
|
11. ОТПУСК |
|
12. ХИМИКО - ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА (ХТО) |
|
12.1. Цементация стали |
|
12.2. Азотирование стали |
|
13. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА |
|
14. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ |
|
14.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях |
|
14.2. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита |
|
14.3. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение |
|
14.4. Классификация легированных сталей |
|
14.5. Принцип комплексного легирования |
|
14.6. Технологические особенности термической обработки легированной стали |
|
14.7. Особенности отпуска легированной стали |
|
15. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |
|
15.1. Классификация конструкционных сталей |
|
16. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ |
|
16.1. Режущие стали |
|
16.2. Быстрорежущие стали |
|
16.3. Твердые режущие стали |
|
16.4. Штамповые стали |
|
16.5. Стали для измерительных инструментов |
|
17. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ СВОЙСТВАМИ |
|
17.1. Нержавеющие (коррозионностойкие) стали |
|
17.2. Жаростойкие и жаропрочные стали |
|
17.3. Криогенные стали и сплавы |
|
17.4. Магнитные стали и сплавы |
|
17.5. Сплавы с особенностями электросопротивления |
|
17.6. Сплавы с высоким электросопротивлением |
|
17.7. Сплавы с заданным коэффициентом теплового расширения |
|
18. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ |
|
18.1. Медные сплавы |
|
18.2. Алюминиевые сплавы |
|
18.3. Магниевые сплавы |
|
18.4. Титан и его сплавы |
|
18.5. Антифрикционные сплавы |
|
ВВЕДЕНИЕ
Увеличение в ХХI веке доли пластмасс, керамики и композитов сопровождается созданием качественно новых видов материалов, значительно превосходящих по свойствам многие металлические. Уменьшение доли металлических материалов сопровождается также качественным их изменением: практически все новые материалы имеют высоко-, сверх- или ультравысокие свойства.
В начале третьего тысячелетия наиболее распространенными среди металлических материалов останутся железные сплавы и прежде всего –стали.
Конец ХХ столетия характеризовался переходом к применению материалов в метастабильном состоянии, увеличился удельный вес обработки поверхности стали, использования в качестве теплового источника концентрированного потока энергии: наибольшее развитие получили вакуумные, ионные, лазерные и другие процессы.
В новом столетии будут продолжать развиваться на хорошем уровне плазменная, высокочастотная, индукционная, электронная термическая обработка.
В области инженерии поверхности интенсивное развитие в начале ХХI века получат комбинированные процессы, которые резко повышают эксплуатационные свойства поверхности. К ним прежде всего нужно отнести сочетание классических диффузионных процессов насыщения поверхности с нанесением на них покрытий толщиной 3-5 мкм методом химического и физического осаждения и паровой фазы.
Задачей курса «Материаловедение» (раздел металлов и сплавов) является возможность дать студентам - машиностроителям сведения о металлах и сплавах, путях улучшения их механических и эксплуатационных свойств.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИАЛАХ И ИХ СВОЙСТВАХ
Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и разрабатывающая пути управления свойствами (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Положение металловедения в общей структуре наук
Цель – познание свойств материалов в зависимости от состава и обработки, методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике, а также создание материалов с заранее заданными свойствами: высокая прочность и пластичность, высокая электропроводность или высокое сопротивление, специальные магнитные свойства, сочетание различных свойств в одном материале (композиционные материалы).
Основные задачи материаловедения:
раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации;
установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов;
изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов для повышения высокой надёжности и долговечности деталей, инструмента и изделий;
изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применения;
дать понятия о современных методах исследования структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Знакомство с основами материаловедения необходимо не только инженерам и научным работникам, но и любому современному человеку.
Как показывает практика и обширные научные исследования в области физики твердого тела (ФТТ) и материаловедения, наличие тех или иных свойств определяется внутренним строением сплавов. В свою очередь, строение сплава зависит от состава и характера предварительной обработки. Таким образом, можно установить следующие связи между характеристиками материала (рис. 1.2):
Рис. 1.2. Схема связей между характеристиками материала
Изучение представленных связей составляет предмет материаловедения. В результате изучения предмета студент должен уметь:
правильно выбрать материал для изделия;
назначать его обработку с целью получения заданной структуры и свойств;
оценивать поведение материала при воздействии на него различных эксплуатационных факторов;
определять опытным путем основные характеристики материалов.
Основную часть всех материалов составляют металлы.
В физике деление на металлы и неметаллы определяется по поведению электросопротивления материала: у металлов оно определяется электронным строением оболочек и при Т 0 К 0, в то же время у неметаллов, т.е. полупроводников и диэлектриков при Т 0 .
Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы. В свою очередь, эти две группы делятся на подгруппы (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Классификация металлов: а- черных; б- цветных
В зависимости от температуры и давления (для металлов в основном от температуры, Р-соnst) все вещества могут находиться в четырёх агрегатных состояниях: плазмообразном, газообразном, жидком и твердом.
Плазма – ионизированный газ, в котором объёмные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов равны.
В газообразном состоянии атомы практически не связаны друг с другом и хаотически перемещаются в пространстве.
В жидком состоянии атомы слабо связаны друг с другом, существует ближний порядок, вещество занимает форму сосуда, части легко отделимы друг от друга.
В твердом состоянии атомы взаимодействуют друг с другом по определенному закону, в структуре имеется как ближний, так и дальний порядок, атомы образуют кристаллическую решетку того или иного вида.
Переход между агрегатными состояниями сопровождается изменением свободной энергии:
F = U – TS,
где U – внутренняя энергия;
T – температура;
S = q / T – энтропия (связана с теплом).
Исторически сложились два подхода к трактовке свойств и явлений, происходящих в твердых веществах, в частности в металлах:
макроскопический или феноменологический;
микроскопический или атомистический.
В макроскопическом подходе характерна трактовка твердого тела как сплошной среды без детализации его внутреннего строения. Подход взят на вооружение сопротивлением материалов и другими науками.
В микроскопическом подходе описание и объяснение свойств твердых тел основано на законах взаимодействия составляющих его частиц, т.е. на атомном уровне. В этом подходе реализуется цепочка: структура – свойство. Микроскопический подход на сегодня является единственным строго научным подходом к интерпретации наблюдаемых свойств и явлений в твердых телах.