министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Е.И. Марр

Методическое пособие

по изучению дисциплины «Материаловедение»

для студентов заочной формы обучения

Разъяснение сложных вопросов курса в простой форме

Издательство

Томского политехнического университета

2012

УДК 620.18:669

ББК 34.62

Марр Е.И.

Методическое пособие по изучению дисциплины «Материаловедение» для студентов заочной формы обучения/ Марр Е.И. – Томск, Издательство Томского политехнического университета, 2012. – 31 с.

УДК 620.18:669

ББК 34.62

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию

методическим семинаром кафедры «Материаловедение и технология металлов» ИФВТ «2» февраля 2012 г.

Зав. кафедрой МТМ

кандидат технических наук __________ А.Г. Мельников

Председатель учебно-методической

комиссии __________ Е.М. Князева

Рецензент

Кандидат технических наук

заведующий кафедрой «Материаловедение и технология металлов»

Ю.П. Егоров

© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2012 © Марр Е.И., 2012

Разбор трудных для усвоения вопросов при изучении студентами учебного курса «Материаловедение». Введение.

Многолетнее преподавание дисциплин о металлах, их применении, обработке и свойствах, привело к мысли, что определенные трудности связаны со сложностью ряда разделов курсов, а также с малым объемом отводимых на изучение часов! Часто разговаривая с инженерами разного профиля, которые в свое время изучали дисциплины о металлах и их обработке, приходится удивляться, как мало осталось в памяти от этих дисциплин. И это, отчасти, не зависит от их способностей, прилежания – причина кроется в краткости курсов и методике преподавания!

Но как такое возможно? Ведь любой инженер, в той или иной мере соприкасается с металлами и сплавами, так допустимо ли не знать их свойств, возможностей изменения в процессе эксплуатации или обработки? Если инженер недостаточно осведомлен в этом, или считает, что этим должен заниматься другой специалист, то он вряд ли сможет достаточно эффективно эксплуатировать машины и механизмы. При этом такой специалист не сможет наметить пути повышения надежности работы, долголетия, или работоспособности этих изделий!

Данное пособие не является учебным, оно не направлено на усвоение курсов по конкретным дисциплинам; оно должно помочь студентам понять закономерности процессов, происходящих в металлах и сплавах в тот или иной момент обработки и применения.

Единственное благо – это знания,

Единственное зло – это невежество!

Диоген

Металлы и их строение

В мире все взаимосвязано и рационально, и это можно обнаружить на примерах, не связанных с проведением сложных опытов и экспериментов! Совершенно разные вещества подчиняются подобным закономерностям. Так, например, металлы и соли металлов имеют общее строение – они тела кристаллические, их строение характеризуется строго закономерным расположением атомов в пространстве, однако это расположение атомов различно, отсюда и свойства металлов и солей весьма различны.

Приведем пример. Углерод в природе существует в двух разновидностях: в виде алмаза и графита. Алмаз имеет очень сложную кристаллическую решетку, и он самый твердый в мире минерал; графит имеет слоистый тип решетки и легко растирается в руках!

Наше первое открытие – если в кристаллических веществах различно расположение атомов, т. е. строение, то и свойства будут различны! Величина этого различия зависит от природы вещества, но оно всегда будет, на этом основана теория и практика!

Мы знаем, что кристаллы алмаза при соответствующей огранке «бриллиант» характеризуются изумительным блеском и переливанием света в различных направлениях! Подобная огранка производится и для других минералов, например, для изумруда. Характерный блеск, концентрация света в них определяется тем, что в различных направлениях свойства кристаллов различны, и это определяется различным расположением атомов в разных направлениях. В одних направлениях свет накапливается и отражается сильнее, а в других слабее!

Наше второе открытие – в кристаллических веществах свойства в различных направлениях будут различны! И различие тем существенней, чем больше различие в строении, например, плотности расположения атомов в данном направлении.

Внутреннее строение минералов, при образовании монокристаллов в специфических условиях, выражается в их внешней форме. Сравним хотя бы кристаллы каменной соли NaCl с кристаллами горного хрусталя SiO₂ (все, наверное, видели их): очень сильное отличие! Кристалл соли имеет внешнюю форму куба, а горного хрусталя – очень сложную форму. Это шестигранный вытянутый кристалл с вершиной сложной формы.

Сравним твердость приведенных минералов по шкале Мооса: алмаз – 10; кварц (горный хрусталь) – 7; каменная соль – 2.

Наше третье открытие – если внешнее строение кристаллических элементов различно, то, следовательно, различны и свойства.

Но все это тела– кристаллические!

Различные минералы имеют весьма разнообразные и сложные типы решеток.

Металлы же в основном имеют простые кристаллические решетки: кубическую объемно-центрированную; кубическую гранецентрированную и гексагональную решетки (рис. 1).

Диапазон свойств минералов (мы показали лишь одно свойство) бесконечно разнообразен, не менее разнообразны и свойства металлов. Если сравнить такое свойство металлов, как температура плавления, то увидим колоссальную разницу! К примеру, металл галлий плавится при температуре 29,78 °С, а металл вольфрам – при 3380 °С.

Известно, что один и тот же камень может иметь различную окраску, от этого может зависеть его внешний вид и, конечно, цена! В этом случае говорят, что в состав этого минерала входит другой элемент, который и изменил и вид, и окраску, и цену. Это можно отнести в полной мере и к металлам! Так, из своего собственного жизненного опыта мы знаем, что в ювелирных изделиях может быть золото высокой и низкой пробы. А что это значит? А это значит, что при плавке золота, в него добавляют меньше или больше меди! Но медь добавляют в золото не только ради экономии, но и для изменения свойств золота. При введении меди золото становится тверже и не будет сильно царапаться (само золото очень мягкое), ну а когда много меди, то и цвет другой, и цена меньше (для студенческих свадеб)!

А вот совсем понятный всем пример! Жестяная банка мягка и податлива, из нее можно вырезать, согнуть что угодно для нашей повседневной жизни! А возьмите хороший нож или напильник и попробуйте сотворить то же самое, что и с консервной банкой: ничего не получится! Они сломаются! В чем же дело? И банка, и нож с напильником выплавлены из железной руды, а свойства столь различны?

Оказывается, что для выплавки металла для ножей и т. п. при плавлении добавляют от 0,3 до 1,0 % углерода (все знают – графит, кокс). Графит очень мягкий, мажет руки, а что он делает с железом?! Полученный таким образом сплав носит название сталь.

Наше следующее открытие – при добавлении в металл иных элементов при плавлении изменяются свойства и другие характеристики! Но это происходит только в тех случаях, если произойдет полное или частичное изменение строения решетки или изменение микроструктуры металла, т. е. (внутреннего строения).