Материаловедение, экспертиза и стандартизация. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

______________________________________________________

Институт экономики и финансов Кафедра «Экономика и управление на транспорте»

Н.П. ТЕРЕШИНА, И.А. РАХИМЯНОВА

Материаловедение, экспертиза и стандартизация

Учебное пособие для бакалавров, обучающихся по направлению «Экономика», «Менеджмент» и «Торговое дело»

Москва – 2020

УДК 66.017 Т 35

Терешина Н.П., Рахимянова И.А. Материаловедение, экспертиза и стандартизация: Учебное пособие. – М.: РУТ (МИИТ), 2020. – 86 с.

Данное учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлениям «Экономика», «Менеджмент» и «Торговое дело». Учебное пособие раскрывает основные вопросы, связанные с классификацией, свойствами и характеристиками материалов, в том числе применяемых на железнодорожном транспорте. Первая глава посвящена основам материаловедения и вопросам создания прогрессивных материалов, вторая глава – общим положениям стандартизации, третья глава раскрывает понятие экспертизы, ее виды и отличительные особенности, а также порядок проведения экспертизы и допуска материалов к применению на железнодорожном транспорте.

Рецензенты:

Доцент кафедры «Международный финансовый и управленческий учет» РУТ (МИИТ), к.э.н. Л.С. Шишова.

Начальник отдела стратегии развития видов бизнеса Департамента экономической конъюнктуры и стратегического развития ОАО «РЖД», к.э.н. Г.В. Куприянова.

РУТ (МИИТ), 2020

3

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – это наука, изучающая состав и строение материалов и устанавливающая взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов, а также исследующая методы изменения этих свойств. Как прикладная наука материаловедение постоянно развивается, что во многом зависит от успехов в создании и использовании эффективных, ресурсосберегающих, экологичных материалов и технологий. Это требует глубоких знаний не только в технических областях, но и экономических в целях обоснования целесообразности внедрения различного рода материалов и технологий.

Проектирование высококачественных изделий, отвечающих требованиям отечественных и мировых стандартов, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологии материалов. Разработка и использование в производстве новых материалов, развитие технологических процессов их получения являются основой производства и во многом определяют уровнем своего развития научно-технический и экономический потенциал страны.

Целью дисциплины является изучение современных проблем науки в области материаловедения и технологии материалов и покрытий, применительно к различным областям техники и технологии. Изучаются проблемы создания научных основ управления структурой и свойствами материалов, разработки высокоэффективных и экологически чистых технологий получения и обработки металлических материалов с заданными свойствами; современные проблемы теоретического и прикладного материаловедения и технологии неорганических, полимерных и углеродных материалов и покрытий, сверхтвердых материалов; научные основы материаловедения и технологии материалов и покрытий в электронной технике, медицине, медицинской технике, машиностроении и приборостроении; новейшие достижения в области создания новых материалов и процессов, тонких пленок и многослойных систем, самоинформирующих и интеллектуальных материалов и покрытий, наноматериалов и нанотехнологий.

4

1.ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

1.1.Классификация материалов, их свойства и характеристики

Для целей планирования производства, снабжения, ведения учета и отчетности и т.д. необходима единая классификация материалов, топлива, запасных частей, оборудования и т.п. Особенно необходима она для использования вычислительной техники, Наличие такой классификации исключает неопределенность в наименованиях, а, следовательно, в учете, хранении, отпуске, пополнении запасов, возможности дублирования. В процессе классификации каждой разновидности материалов присваивается условной сокращенное обозначение (номенклатурный код, шифр). Классифицированный определенным образом и снабженный кодами перечень всех материальных ресурсов называется номенклатурой материалов. Номенклатура материалов может быть общероссийской, отраслевой, рабочей (номенклатурой предприятий или организаций).

Номенклатура материалов особенно необходима для органов материально-технического снабжения при определении потребности, разработке норм расхода и норм запаса материалов, оформлении приемки и отпуска материалов, ведении учета и отчетности и т.д. Классификация должна быть полной, допускать возможность объединения (агрегирования) материалов. Она должна быть емкой, в то же время содержать минимум групп, допускать возможность пополнения вследствие появления новых материалов.

В настоящее время действует Общероссийский классификатор продукции по видам экономической деятельности (ОКПД 2), который представляет собой систематизированный и классифицированный перечень продукции по видам экономической деятельности с присвоением каждому наименованию условного обозначения (кода), в котором даются конкретные разновидности продукции по маркам, размерам и т.д.

Код классификатора состоит из 2 - 9 цифровых знаков, его структура представлена на рисунке 1.1.

ХХ.ХХ.ХХ.ХХХ

Класс

Подкласс

Группа

Подгруппа

Вид

Категория

Подкатегория

Рисунок 1.1 – Структура кода продукции в Общероссийском классификаторе продукции по видам экономической деятельности

5

В тех случаях, когда не производится деление вида на категории, т.е. не осуществляется детализация продукции (услуг, работ) на национальном уровне, 7 - 9 знаки кода имеют значение «0» (ноль), а в тех случаях, когда деление производится, 7 - 8 знаки кода имеют значение, отличное от «0» (ноля).

Детализация на нижней ступени классификационного деления осуществляется только в тех случаях, когда производится деление категории продукции (услуг, работ) на несколько подкатегорий.

Детализация на нижней ступени классификационного деления осуществляется только в тех случаях, когда производится деление категории продукции (услуг, работ) на несколько подкатегорий.

На рисунке 1.2 приведен пример классификационного деления древесины и изделий из дерева и пробки, кроме мебели.

Рисунок 1.2 – Классификационное деление древесины и изделий из дерева и пробки, кроме мебели

Для характеристики материалов в первую очередь используют их свойства.

6

К основным свойствам материалов можно отнести следующие:

1)механические свойства;

2)физические свойства;

3)теплофизические (тепловые) свойства;

4)электрические свойства;

5)оптические свойства;

6)акустические свойства.

Механические свойства – это особенности материалов, проявляющиеся при ударных, сжимающих и растягивающих воздействиях. К данной группе свойств относятся: прочность, твердость, вязкость (ударная прочность), упругость, эластичность, пластичность, хрупкость.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению при приложении к нему внешней силы при растяжении и сжатии. Материалы линейной структуры более прочны. Твердость – поверхностная прочность материала, которая характеризуется степенью сопротивления проникновению внутрь. Оценивается твердость материала особым прибором – пенетрометром. Твердость определяют при оценке качества следующих материалов: металлы, фарфор, фаянс, камень, дерево. От твердости материалов зависит их истираемость. Совместное действие истирания и удара называют износом. Высокая стойкость металлов против износа – важнейшее условие долговечной и надежной работы машин и подвижного состава транспорта.

Вязкость – свойство жидкостей, обуславливающее сопротивление слоев относительному перемещению под воздействием внешних сил. Вязкость жидкостей определяется с помощью специального прибора – вискозиметр. Вязкость определяется при оценке качества олифы, масел, лаков, красок.

Упругость – это способность материала изменять форму под воздействием внешних сил и возвращаться после снятия нагрузки к первоначальной форме. Хорошей упругостью обладают материалы кристаллической структуры (металлы).

Эластичность – способность материала к обратимым деформациям в течение определенного времени. Хорошей эластичностью обладают материалы линейной молекулярной структуры (резина). Пластичность – способность материала к необратимым деформациям при малых воздействиях (глина).

Способность некоторых материалов разрушаться внезапно без видимых предварительных деформаций называют хрупкостью. К таким материалам относятся каменные материалы, чугун и др.

Физические свойства – это характеристики, которыми обладают материалы без

удельный вес, объемный вес, абсолютная и относительная плотность, пористость, влажность, водопоглощение, водопроницаемость, гидрофобность.

Масса тела (иногда называемая весом) в состоянии относительного покоя применяется в качестве меры количества вещества, содержащегося в теле. Массу определяют взвешиванием материалов на рычажных весах в условиях равновесия взвешиваемого тела и гири и их

7

относительного покоя. В отличие от массы тела сила тяжести - это равнодействующая силы тяготения и центробежной силы. Ее определяют на пружинных весах и других динамометрических приборах. Результаты выражают в единицах силы – ньютонах. Сила тяжести равна произведению массы на ускорение свободного падения.

Удельным весом называется вес единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии и определяется отношением веса сухого материала к объему материала в абсолютно плотном состоянии.

Объемным весом называется вес единицы объема материала в естественном состоянии. Вес единицы объема сыпучего материала называется насыпным объемным весом.

Абсолютная (истинная) плотность характеризуется массой вещества, заключенной в единице его обьема и может быть определена как отношение удельного веса к ускорению силы тяжести.

Под относительной плотностью понимают отношение плотности рассматриваемого материала к плотности стандартного вещества в определенных физических условиях. В качестве стандартного вещества принимают: для твердых тел и жидкостей – воду при 4ºС и атмосферном давлении, для газов – сухой атмосферный воздух, для пористых материалов – соответствующий материал в абсолютно плотном состоянии.

Пористость – наличие мелких ячеек в материале, не заполненных веществом. Пористость материалов колеблется в широких пределах. Например, для стекла и прокатанного металла она близка к нулю, для гранита и мрамора – менее 1%, для минеральной ваты – выше 90%.

Влажность материала выражается в процентах и определяется содержанием влаги, отнесенным к весу материала в сухом состоянии.

Водопоглощение – свойство материалов впитывать и удерживать воду. Оно определяется отношением массы поглощенной воды к массе или обьему сухого материала.

Водопроницаемость – способность материала пропускать сквозь толщу воду при наличии разности давления. Характеризуется этот показатель количеством воды, прошедшим через 1 см2 стандартного образца за 1 час.

Гидрофобность – способность материала не смачиваться водой.

Особую группу физических свойств составляет отношение материалов к звуку (звукопроводность, звукопоглощение). Такие же особые группы составляют тепловые свойства, электрические свойства и оптические свойства.

Тепловые свойства – особенности материалов, проявляющиеся при воздействии тепловой энергии и температуры.

Свойство материалов выдерживать без разрушения резкие изменения температур называют термостойкостью.

Теплоемкость – свойство материала поглощать тепло при нагревании.

Теплопроводность – способность материала передавать теплоту через толщу от одной поверхности к другой.

Тепловое расширение – свойство материала изменять размеры при нагреве и охлаждении.

Огнеупорность – свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры, не размягчаясь и не деформируясь.

8

Огнестойкость – свойство материала сопротивляться действию огня при пожаре в течение определенного времени. Данное свойство зависит от сгораемости материала, т.е. от его способности воспламеняться и гореть.

Морозостойкость – способность материала без разрушения и существенной потери прочности выдерживать попеременное замораживание (при температуре – 15-20ºС) и оттаивание (цикл) при комнатной температуре в насыщенном водой состоянии. После заданного числа циклов определяется прочность материала при сжатии и вычисляется коэффициент морозостойкости.

Электрические свойства – способность продукции изменяться под влиянием внешнего электрического поля.

Показателями электрофизических свойств материалов являются электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Электропроводность – способность материала проводить электрический ток. По свойству электропроводности все материалы делятся на: проводники (металлы, электролиты), полупроводники (углерод, мышьяк, окись меди) и изоляторы (резина, стекло, фарфор, пластмасса, кожа, ткани).

Диэлектрическая проницаемость – максимальная величина электрической энергии, которая аккумулируется материалом без разрушения его структуры.

Оптические свойства – способность материала рассеивать, пропускать или отражать свет. К основным оптическим свойствам относятся: цвет, прозрачность и преломляемость света.

В свою очередь цвет характеризуется тоном, яркостью, светлотой, насыщенностью. Цветовой тон обусловлен спектральным составом света, попадающего на сетчатку глаза и определяется визуально или фотоэлектроколориметрическим методом по длине волн. Яркость – количество световой энергии излучаемой продукцией. Светлота – количество световой энергии, которую продукция отражает. Насыщенность – избирательная способность продукции пропускать или отражать свет. Для определения насыщенности белого цвета или степени белизны фарфора, бумаги, тканей используется пластинка из BaSO4, отражающая 98% падающего света.

Прозрачность – способность материала пропускать свет. Прозрачность материала определяют визуально или по количеству и размеру дисперсных частиц.

Преломляемость – способность материала преломлять световые лучи, зависит от содержания растворенных веществ, различных включений, состояния поверхности.

Акустические свойства – способность продукции издавать, поглощать, проводить звук. В зависимости от акустических свойств можно выделить две группы материалов: звукопроводящие и звукоизоляционные материалы.

1.2. Черные металлы, основы их производства, свойства и применение

Металлы – материалы, характерными признаками которых являются пластичность, упругость, теплопроводность, высокая электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.

Металлами называются вещества, для которых характерны пластичность, высокая теплопроводность, электропроводность и особый блеск, называемый металлическим. Металлы, широко применяемые в технике, называются техническими металлами. К ним относятся: железо,

9

алюминий, магний, медь, свинец, олово, никель, титан.

Вряде случаев металлы применяются в технике почти в чистом виде с небольшим количеством трудно устраняемых примесей. Например, технически чистая медь и алюминий применяют для изготовления электрических проводов и деталей электрических устройств; олово и цинк используют в качестве антикоррозионных покрытий железа. Однако несравненно большую роль в народном хозяйстве играют сплавы металлов, потому что они имеют более высокие механические и технологические свойства, чем составляющие их чистые металлы. В технике чаще всего применяются сплавы на основе железа (так называемые черные металлы) – сталь и чугун, а из цветных металлов – алюминий, медь, никель, титан, цинк, свинец, олово и сплавы на их основе.

Все металлы делятся на две большие группы: черные металлы и цветные металлы.

К черным металлам относятся железо и его сплавы с углеродом: чугуны и стали. Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода более 2%, в состав которого входит также кремний, марганец, сера, фосфор.

Основы производства чугуна и стали. Из черных металлов наиболее широко на железнодорожном транспорте применяются стали и чугуны – сплавы железа с углеродом. Чугунами называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода более 2%, в состав которых входят также кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны получают в печах, называемых домнами. Сырьевыми материалами доменного процесса являются железные руды, топливо и флюсы. В качестве топлива при выплавке чугуна применяют кокс-продукт нагревания до 1000ºС каменных углей без доступа воздуха. Для понижения температуры плавления пустой породы и золы топлива в шихту вводят флюсы, наиболее употребительными из которых является известняк. Флюсы разжижают расплавленную породу (шлаки) и способствуют переводу в шлак золы топлива. Шлак из доменной печи выпускают в воду, где он свертывается в мелкие зерна. Гранулированный шлак служит для приготовления ряда строительных материалов.

Вдоменных печах выплавляют литейные и передельные чугуны, а также специальные чугуны (ферросплавы). Литейные чугуны используются для изготовления деталей литьем. Изготовление сталей литьем присуще не только серым (литейным) чугунам, но и сталям, цветным металлам и сплавам из цветных металлов. Методом стального литья изготавливаются корпуса автосцепок, статоры турбин и т.д. Для многих сложных деталей отливка является единственно возможным способом их изготовления.

Литейный чугун обладает хорошими литейными качествами и является дешевым металлическим сплавом. В узлах трения литейный чугун работает хорошо, так как графитные включения сами как бы смазывают поверхность трения и хорошо удерживают специально наносимый слой смазки. Коэффициент трения чугуна значительно ниже коэффициента трения стали. Вот почему такие детали, как втулки и поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания, изготовляют из чугуна. Из чугуна также изготовляют тормозные колодки и многие другие детали.

Передельные чугуны используют для получения стали. Сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2%. Сталь выплавляется в бессемеровских и томасовских конвертерах, в мартеновских и электрических печах.

10