- •Матеріалознавство
- •Передмова
- •Умови роботи обладнання переробної промисловості
- •Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості атомно-кристалічної будови металів
- •1.2. Метали, особливості атомно-кристалічної будови
- •1.3. Поняття про ізотропію і анізотропію
- •1.4. Алотропія, або поліморфні перетворення
- •1.5. Магнітні перетворення
- •Розділ 2. Будова реальних металів. Дефекти кристалічної будови
- •2.1. Дефекти кристалічної структури
- •2.2. Дислокація, її утворення та види
- •Розділ 3. Кристалізація металів. Методи дослідження металів
- •3.1. Механізм та закони кристалізації металів
- •3.2. Будова металевого злитку
- •3.3. Методи дослідження металів: структурні і фізичні
- •3.4. Визначення хімічного складу
- •3.5. Вивчення структури
- •3.6. Фізичні методи дослідження
- •Розділ 4. Загальна теорія сплавів. Будова, кристалізація і властивості сплавів. Діаграма стану
- •4.1. Поняття про сплави і методи їх отримання
- •4.2. Особливості будови, кристалізації і властивостей сплавів: механічних сумішей, твердих розчинів, хімічних сполук
- •4.3. Класифікація сплавів твердих розчинів
- •Розділ 5. Механічні та експлуатаційні властивості металів
- •5.1. Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характеристик: твердість, в'язкість, втомна міцність
- •5.2. Експлуатаційні властивості
- •Розділ 6. Залізовуглецеві сплави. Діаграма стану «залізо – вуглець»
- •6.1. Залізовуглецеві сплави
- •6.2. Компоненти і фази залізовуглецевих сплавів
- •6.3. Структури залізовуглецевих сплавів
- •Розділ 7. СталІ. Класифікація і маркування сталей
- •7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей
- •7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях
- •7.3. Класифікація і маркування сталей
- •Розділ 8. Чавуни. Будова, властивості, класифікація і маркування чавунів
- •8.1. Класифікація чавунів
- •8.2. Будова, властивості, класифікація і маркування сірих чавунів
- •8.3. Високоміцний чавун із кулькоподібним графітом
- •8.4. Ковкий чавун
- •Розділ 9. Кольорові метали і сплави на їх основі
- •9.1. Титан і його сплави
- •9.2. Алюміній і його сплави
- •9.3. Магній і його сплави
- •9.4. Мідь і її сплави
- •Розділ 10. Пластмаси й їх класифікація, властивість і галузь застосування
- •10.1. Загальні відомості про пластмаси й їх класифікація
- •10.2. Термопластичні пластмаси
- •10.3. Термореактивні пластмаси
- •10.4. Синтетичні еластоміри, каучук, гума
- •Розділ 11. Деревина та її властивості
- •11.1. Загальні відомості
- •11.2. Будова дерев. Види деревини
- •11.3. Фізичні і механічні властивості деревини
- •11.4. Матеріали і напівфабрикати із деревини
- •Розділ 12. Скло. Властивості та застосування
- •12.1. Загальні відомості
- •12.2. Технологія отримання скла
- •12.3. Марки скла
- •12.4. Властивості скла
- •12.5. Види скла за призначенням
- •Протипожежне скло – армоване скло. Розділ 13. Практичне застосування матеріалів у харчовій і переробній промисловостЯх
- •13.1. Вироби з чорних та кольорових металів
- •13.2. Неметалеві матеріали в переробній промисловості
- •13.3. Екологічна небезпека матеріалів у переробній промисловості
- •Організація та методика проведення лабораторних робіт
- •Лабораторна робота 2 металографічний аналіз металів та сплавів
- •Лабораторна робота 3 вивчення структури сталей та чавунів
- •Лабораторна робота 4 вивчення мікроструктури кольорових металів та сплавів
- •Лабораторна робота 5 вивчення властивостей пластмас
- •Лабораторна робота 6 Вивчення властивостей деревини
- •6.2. Будова деревини
- •6.2.1. Макроструктура
- •6.2.2. Мікроструктура
- •6.3. Фізико-механічні властивості
- •6.3.1. Визначення вологості деревини прискореним методом
- •6.3.2. Визначення середньої густини деревини
- •6.3.3. Визначення граничної міцності за стискання
- •6.3.4. Визначення граничної міцності за згинання
- •6.4. Контрольні запитання для захисту роботи
Розділ 1. Матеріалознавство. Особливості атомно-кристалічної будови металів
Загальні поняття про матеріалознавство
Матеріалознавство – це наука про взаємозв'язки електронної будови, структури матеріалів з їх складом, фізичними, хімічними, технологічними й експлуатаційними властивостями.
Створення наукових основ металознавства по праву належить Д. К. Чернову, який встановив критичні температури фазових перетворень у сталях і їх зв'язок із кількістю вуглецю в сталях. Цим були закладені основи для найважливішої в металознавстві діаграми стану залізовуглецевих сплавів.
Відкриттям алотропічних перетворень у сталі Д. К. Чернов заклав фундамент термічної обробки сталі. Критичні точки фазових перетворень у сталі, дозволили раціонально вибирати температуру її гартування, відпуску і пластичної деформації у виробничих умовах.
У своїх роботах із проблем кристалізації сталі і будови злитка Д. К. Чернов виклав основні положення теорії лиття, що не втратили свого наукового і практичного значення в даний час.
Великий російський металург П. П. Аносов уперше застосував мікроскоп для дослідження структури металів. Йому належить пріоритет у створенні легованих сталей. Він розробив теорію і технологію виготовлення клинків із булатної сталі. З його робіт стало зрозуміло, що так званий булатний узор на поверхні сталі безпосередньо залежить від її внутрішньої структури.
У 1873–1876 роках Джозія Уіллард Гіббс виклав основні закони фазової рівноваги і, зокрема, правило фаз, ґрунтуючись на законах термодинаміки. Для вирішення практичних завдань знання фазової рівноваги в тій або іншій системі необхідне, але не достатнє для визначення складу і відносної кількості фаз. Обов'язково потрібно знати структуру сплавів, тобто атомну будову фаз, складових сплавів, а також розподіл, розмір і форму кристалів кожної фази.
Визначення атомної будови фаз стало можливим після відкриття Макс фон Лауе (1912 р.), який довів, що атоми в кристалі регулярно заповнюють простір, утворюючи просторові дифракційні решітки, і що рентгенівські промені мають хвилеву природу. Дифракція рентгенівських променів на таких решітках дає можливість досліджувати будову кристалів.
Останнім часом для структурного аналізу окрім рентгенівських променів використовують також електрони і нейтрони. Відповідні методи дослідження називаються електронографією і нейтронографією. Електронна оптика дозволила удосконалити мікроскопію. В даний час на електронних мікроскопах корисне максимальне збільшення доведене до 100000 разів.
У п'ятидесятих роках, коли почалося дослідження природи властивостей металевих матеріалів, було доведено, що більшість найважливіших властивостей, зокрема опір пластичній деформації і руйнуванню в різних умовах вантаження, залежать від особливостей тонкої кристалічної будови. Цей висновок сприяв залученню фізичних теорій про будову реальних металів для пояснення багатьох незрозумілих явищ і для конструювання сплавів із заданими механічними властивостями. Завдяки теорії дислокацій вдалося отримати достовірні відомості про зміни в металах за їх пластичних деформацій.
Особливо інтенсивно розвивається металознавство в останні десятиліття. Це пояснюється потребою в нових матеріалах для дослідження космосу, розвитку електроніки, атомної енерґетики.
Основними напрямами в розвитку металознавства є розробка способів виробництва чистих і надчистих металів, властивості яких значною мірою відрізняються від властивостей металів технічної чистоти, з яких переважно виготовляють вироби. Головним завданням матеріалознавства є створення матеріалів із заздалегідь розрахованими властивостями стосовно заданих параметрів і умов роботи. Велика увага приділяється вивченню металів у екстремальних умовах (низькі і високі температури, тиск).
До теперішнього часу основною матеріальною базою машинобудування була чорна металургія, що застосовує сталі і чавуни. Ці матеріали мають багато позитивних якостей і, в першу чергу, забезпечують високу конструкційну міцність деталей машин. Проте ці класичні матеріали мають такі недоліки як велика щільність, низька корозійна стійкість. Втрати від корозії складають 20 % річного виробництва сталі і чавуну. Тому, за даними наукових досліджень, через 20–40 років усі розвинені країни перебудуються на масове використання металевих сплавів на базі титану, магнію, алюмінію. Ці легкі і міцні сплави дозволяють у 2–3 рази полегшити верстати і машини, в 10 разів зменшити витрати на їх ремонт.
За даними інституту імені А. Н. Байкова, в наший країні є всі умови для того, щоб протягом 10–15 років машинобудування могло перейти на випуск алюмінієво-титанової рухомої техніки, яка відрізняється легкістю, корозійною стійкістю і великим безремонтним ресурсом.
Важливе значення має усунення відставання нашої країни в галузі використання нових матеріалів замість традиційних (металевих) – пластмас, кераміки, матеріалів порошкової металургії, особливо композиційних матеріалів, що економить дефіцитні метали, знижує витрати енергії на виробництво матеріалів, зменшує масу виробів.
Розрахунками встановлено, що заміна ряду металевих деталей легкового автомобіля на вуглепластики з епоксидної смоли, армованої вуглецевими волокнами, дозволить зменшити масу машини на 40 %; вона стане міцнішою; зменшиться витрата палива, різко зросте стійкість проти корозії.