14

Дисциплина «Материаловедение»

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами при тепловых, механических, химических и физических воздействиях.

Современное материаловедение как наука сложилось во второй половине ХХ века в ответ на возросшую роль материалов в развитии техники и технологий. Только создание принципиально новых материалов, а на их основе сложнейших приборов, машин и агрегатов, позволило за короткое время достичь небывалых успехов в атомной, космической, авиационной технике, электронике, информационных технологиях и т.д. Материаловедение в настоящее время является научной основой изыскания новых материалов с заданными свойствами, а также основой для разработки новых технологий изменения структуры известных материалов для получения требуемых свойств. Материаловедение как раздел научного знания опирается на фундаментальную базу многих разделов физики, химии, механики и смежных дисциплин, а также на различные технологические дисциплины, связанные с получением, обработкой и применением материалов. Материаловедение – одна из важнейших, приоритетных наук, определяющих научно-технический прогресс человечества.

Из истории материаловедения

Вся история человечества связана с освоением и использованием в своей повседневной жизни различных материалов. С помощью камня 500 тысяч лет назад люди научились добывать огонь. Изготовив первые орудия из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры животных, освоил обжиг глины. Первыми металлами, которые человек научился плавить, отливать и обрабатывать, были золото (1 млн. лет до н.э.), серебро, олово (IV тысячелетие до н.э.), свинец (V тысячелетие до н.э.) и медь (VI тысячелетие до н.э.). Затем человек открыл оловянную бронзу (сплав меди и олова) и, наконец, научился получать железо (III тысячелетие до н.э.). Таким образом, каменный век уступил место медно-каменному, а затем последовала эра бронзового и железного века. Совершенствовалась и технология переплавки металлических руд: прокаливанием и ковкой полуфабрикатов научились получать кузнечное железо.

Использование энергии падающей воды для привода машин позволило нагреть металл до температуры, превышающей температуру плавления, а затем перерабатывать расплав в ковкое железо, очищая его от вредных примесей.

Применение каменного угля вместо древесного в качестве топлива при плавлении руд, а затем открытие процесса коксования каменного угля способствовало ускоренному развитию металлургии. Возрастание спроса на машины привело к возникновению машиностроения как отрасли промышленности.

Превращение ручных мануфактур в фабрики, в которых использовали машины, привело к изменению уровня техники и технологии получения материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в сталь, благодаря изобретенным процессам получения стали, названных по имени их создателей, - бессемеровский, томасовский и мартеновский. Рост промышленности требовал больших объемов металла и улучшения его качества. Возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Так во второй половине ХIХ века (1868г.) появилась наука – металловедение. Основоположником металловедения и термической обработки стали считают русского ученого-металлурга Дмитрия Константиновича Чернова (1839-1921). Он открыл полиморфизм железа и критические точки фазовых превращений стали (в честь него назваными критическими точками Чернова), положил фактически начало построению диаграмм состояния, установил влияние термической обработки стали на ее структуру и свойства, создал стройную теорию кристаллизации стального слитка. Развитию металловедения способствовали научные открытия и изобретения. Русский металлург П.П.Аносов в 1831г. впервые применил микроскоп для исследования стали. Открытие рентгеновских лучей в 1895г. и установление в 1913г. независимо друг от друга русским кристаллографом Ю.В.Вульфом и английскими учеными отцом и сыном У.Г. Брэгг и У.Л.Брэгг условия дифракции рентгеновских лучей, позволило создать теорию и метод рентгеноструктурного анализа материалов. Это в свою очередь способствовали открытию кристаллической природы металлов и сплавов. Появилась возможность изучать и классифицировать кристаллические решетки различных материалов.

Большинство металлов было открыто в ХIХ в., чему способствовало открытие Д.И.Менделеевым периодической таблицы элементов. Но тогда немногие из открытых элементов получили промышленное применение. И только благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения в ХХ веке было разработано большое число сплавов, обладающих специальными свойствами: антикоррозионными, жаростойкими, жаропрочными, особыми магнитными, с «памятью» заданной формы, появились новые материалы: сверхпроводники, полупроводники.

Развитие органической химии и теории химического строения вещества позволили разработать и получить искусственные полимеры и на их основе – пластмассы. Новый материал бакелит (резол) стал первым продуктом производства пластических масс, которые стали рассматривать также в качестве конструкционных материалов. Одним из направлений получения новых конструкционных материалов стало объединение с помощью различных технологий металлических и неметаллических материалов, которые стали называть композиционными. Так постепенно различные направления теории и практики создания материалов для науки и техники были объединены в один раздел научного знания – материаловедение.

Курс « Материаловедение» состоит из двух разделов:

I Металловедение

1) Теория сплавов;

2. Теория и практика термической обработки металлов;

3. Промышленные сплавы

II Неметаллические материалы

1. полимеры;

2. пластмассы;

3. резины

Литература.

Т.В.Соколова, В.Н.Цурков Методические указания по курсу «Материаловедение», Раздел «Металловедение», Издательство РУДН 2006г.

Т.В.Соколова Т.В., В.Н.Цурков. Методические указания по курсу «Материаловедение», Раздел Термическая обработка сплавов. Москва, Издательство РУДН 2006г.

В.Н.Цурков Методические указания по курсу «Материаловедение», Раздел «Неметаллические материалы» Издательство РУДН 2005г.

А.П.Гуляев Металловедение. Москва, Металлургия, 1990 г.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Авторы: Солнцев Ю.П., Веселов В.А., Демянцевич В.П. и др. Москва, МИСиС, 1996 г.

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Авторы: Г.П.Фетисов, М.Г.Карпман, В.М. Матюнин и др. Москва, Высшая школа, 2001 г.

Металлы – это вещества, характерными свойствами которых являются прочность, пластичность, электропроводность, теплопроводность, блеск. Виду недостаточной прочности чистых металлов в промышленности используют сплавы.

Сплав – это однородная система,

Металлические сплавы – материалы, которые получают в основном сплавлением двух и более металлов. В некоторых сплавах присутствует незначительное количество неметаллов, например углерод, азот. При этом сохраняются все основные свойства металлов. Металлы разделяют на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на основе железа: чугун, сталь, ферросплавы. Все остальные – это цветные металлы: алюминий, медь, цинк, никель и др. Среди цветных выделяют легкие, тяжелые, щелочноземельные, редкоземельные и др.

Удельный вес стали и чугуна в общем объеме металлических конструкционных и инструментальных материалов составляет примерно 95%.

Черные металлы представляют собой сплавы железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). Для придания черным металлам специфических свойств в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). В зависимости от содержания углерода черные металлы подразделяют на чугуны и стали.

Чугун — сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14%, но менее 6,67% (в изделиях менее 4,5%). В зависимости от назначения различают чугуны передельные, литейные и специальные. Передельные чугуны предназначены для производства стали. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей,  специальные чугуны — в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения.

Сталь — сплав железа иуглерода с содержанием углерода менее 2,14% (обычно не более 1,3%).

По способу получения стали разделяют на мартеновские, конвертерные и электростали, по химическому составу — на углеродистые и легированные. К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания, который зависит от вида раскисления, принято разделять на спокойную, полуспокойную и кипящую.

Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др.).

По назначению стали подразделяются на конструкционные, применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, инструментальные для изготовления инструмента и специальные, характеризующиеся высокой жаростойкостью, жаропрочностью, коррозионной стойкостью и другими специальными свойствами.

Цветные металлы в чистом виде редко используются. По плотности цветные сплавы разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-марганцевые, алюминиево-магниевые и алюминиево-кремниевые, алюминиево-медные (дуралюмины).

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых цветных сплавов применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунь (сплав меди с цинком).

В зависимости от назначения изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами, которые разделяются на четыре группы: физические, химические, механические и технологические.

Различают следующие основные виды деформаций: сжатие, растяжение, кручение, срез, изгиб.

Сжатие — деформация, характеризуемая уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатию подвергаются строительные колонны, фундаменты и т.д.

Растяжение — деформация, характеризуемая увеличением длины тела, когда к обоим его концам приложены силы, равнодействующие которых направлены вдоль оси тела. Растяжению подвергаются крепежные и другие детали.                         I

Кручение — деформация тела с одним закрепленным концом под действием пары равных, противоположно направленных ил, плоскость которых перпендикулярна к оси тела (например, валы двигателей, коробки передач и т.д.).

Срез — это деформация, когда две силы направлены навстречу друг другу и лежат не на одной прямой, но достаточно близко друг к другу. При определенном их значении происходит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты.

Деформация, предшествующая срезу, называется сдвигом При сдвиге соседние сечения смещаются относительно друг друга, оставаясь параллельными. Изделие при этом не разрушается.

Изгиб — деформация тела под действием внешних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформируемого тела. Изгибу подвержены, например, строительные балки.

Основные механические свойства металлов — прочность пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность — это способность металла или сплава сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, а также усталость металлов.

Твердость — способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого, тела, не получающего остаточных деформаций.

Существует несколько методов определения твердости. Наиболее широкое распространение получили следующие методы:

— вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля);

— вдавливание алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);

— вдавливание алмазной пирамиды (метод Виккерса).

Коррозия металлов и защита от нее

Разрушение строительных металлов в результате химического или электрохимического воздействия на них внешней среды называют коррозией. В результате коррозии безвозвратно теряется около 10... 12% ежегодно производимых черных металлов.

В зависимости от механизма процесса разрушения металла коррозия может быть химической и электрохимической.

Химическая коррозия — это разрушение металла в процессе воздействия на него агрессивных агентов. Продукты химической коррозии металла — рыхлые образования оксидов, получающихся при реакции металла с кислородом и влагой среды, с некоторыми газами в воздухе (углекислым, хлористым, сернистым), с кислотами. Соли, например, азотнокислые, также являются коррозионной средой, разрушающей железоуглеродистые сплавы.