Лекции по дисциплине «материаловедение»

Материаловедение - это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а так же закономерности их изменения под влиянием механических, физико-химических и других видов воздействий (тепловых, электромагнитных, радиоактивных, химических и др.).

Курс материаловедения состоит из двух основных частей:

1. Металловедение и термическая обработка металлов.

2. Неметаллические материалы (пластмассы, древесина, резина, стекло, керамика, асбест и др.).

Раздел 1. Металловедение и термическая обработка

Тема 1.1. Кристаллическое строение металлов

Металловедение - это наука, изучающая строение и свойства металлов и сплавов, устанавливающая связь между их составом, строением, свойствами и разрабатывающая пути воздействия на их свойства.

1.1.1 Общая характеристика, классификация металлов и конструкционных материалов

Основными характерными свойствами металлов являются:

1. металлический блеск;

2. непрозрачность;

3. вязкость;

4. пластичность;

5. теплопроводность;

6. электропроводность;

7. кристаллическое строение.

Существует общепринятая классификация, согласно которой все металлы подразделяются на две большие группы – черные и цветные. К черным относят – железо и сплавы на его основе, а к цветным все остальные металлы и их сплавы.

Однако каждый металл отличается строением и свойствами от другого, и по некоторым признакам их можно объединить в группы. Такая классификация дана русским металловедом А.П. Гуляевым.

Классификация металлов (А.П. Гуляева)

Группа чёрных металлов Группа цветных металлов

свойства: свойства:

1) темно-серый цвет; 1) характерная окраска

2) большая прочность; (красная, желтая, белая);

3) высокая температура плавления; 2) низкая температура плавления;

4) относительно высокая плотность; 3) малая твердость;

5) высокая твердость; 4) большая пластичность.

Чёрные металлы подразделяют на подгруппы:

1. Железные металлы - железо, кобальт, никель и близкий к ним по свойствам марганец; обладают магнитными свойствами (ферромагнетики).

2. Тугоплавкие металлы - ванадий, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам и т.д. ; обладают температурой плавления выше, чем у железа. Температура плавления железа = 1539ºС.

3. Урановые металлы - актиниды – уран; торий; плутоний др.; применяются в сплавах для атомной промышленности.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды - лантан, церий, неодим; иттрий; скандий и др. Металлы этой группы используются, как добавки к сплавам других элементов.

5. Щелочно-земельные металлы – литий, натрий, калий, кальций, барий, радий. Эти металлы в свободном металлическом состоянии не применяются, используются только в качестве теплоносителей в атомных реакторах.

Цветные металлы подразделяют на подгруппы:

1. Лёгкие металлы - бериллий Be, магний Mg, алюминий Al обладает малой плотностью.

2. Благородные металлы - серебро, золото, металлы платиновой группы (платина, палладий, иридий, родий), к ним может быть отнесена медь ( полублагородный металл). Эти металлы обладают высокой устойчивостью к коррозии.

3. Легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, талий, сурьма; обладают невысокой температурой плавления.

Сегодня промышленность использует наряду с чистыми металлами большой спектр различных конструкционных материалов. Условно их можно классифицировать на следующие виды:

1) сплавы на основе железа - стали и чугуны

а) сталь – это сплав железа с углеродом до 2,14% С; стали разделяют на углеродистые (железо + углерод) и легированные (железо+ углерод + легирующие элементы). Легирующие элементы – это элементы, которые вводят в сталь для улучшения ее свойств.

б) чугун - это сплав железа с углеродом от 2,14 до 6,67% С; чугуны бывают: белые, ковкие, серые, высокопрочные и специальные;

2) сплавы на основе цветных металлов

а) сплавы на основе меди:

латунь – это сплавы меди и цинка (до 45% Zn);

бронза – это сплавы меди с другими легирующими элементами (кроме цинка); различают бронзы оловянистые (медь + олово) и безоловянистые: (медь + алюминий) – алюминиевая бронза; (медь+

никель) – никелевая бронза; (медь + свинец) – свинцовая бронза и др.;

б) сплавы на основе алюминия:

дюралюмины – это деформируемые алюминиевые сплавы системы (алюминий + медь + магний)

силумины – это литейные алюминиевые сплавы системы (алюминий+ кремний);

3) порошковые материалы (металлокерамика);

4) новые материалы – композиты, сплавы с памятью формы, аморфные, космические;

5) неметаллические – пластмассы, древесина, стекло, резина, краски, лаки, эмали, клеи.

Особую группу составляют триботехнические материалы. Эти материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами таких материалов являются:

1) смазочные материалы – смазки в твердой фазе (графит, тальк), смазки в жидкой фазе (моторные, трансмиссионные масла), смазки в газообразной фазе (воздух, пары и другие газы);

2) антифрикционные материалы – сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы, латуни), серый чугун, пластмассы (текстолиты, фторопласты), металлокерамические материалы (бронзографит, железографит), резина, древесно-слоистые пластики;

3) фрикционные материалы - материалы, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление к изнашиванию (пластмассы, некоторые виды чугунов и металлокерамики, композиты).