Материаловедение (куча курсачей) / Вордовские папки / 146EB~1

Билет 1: Предмет материаловедение.

Материаловедение – это наука, изучающая в общей связи состав, строение, структуру и свойства материалов, а также закономерности их изменения под тепловыми, химическими, механическими и другими воздействиями.

Важнейшей целью современных горнодобывающих и обогатительных предприятий является повышение качества и снижение себестоимости всех видов продукции. Эта цель может быть решена на базе обязательного знания свойств, используемых материалов для правильного выбора технических средств, их эксплуатации и восстановления, а также ведения добычи, обогатительных работ, строительства, ремонта.

В курсе материаловедение мы должны:

1. получить прочное знание об основных закономерностях, определяющих строение и свойства материалов. О методах их обработки, о поведении материалов в основных процессах эксплуатации или потребления.

2. научиться выполнять наиболее широко применяемые в технике методы испытания качества материалов.

3. дать навыки самостоятельного пользования нормативной документации и справочной литературы для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методах их использования в зависимости от условий их применений.

Взаимосвязь с другими дисциплинами:

Содержание курса материаловедение базируется на знании химии, физики, высшей математики, экологии, физики горных пород, прикладной механики и основ горного дела.

Билет 2: Использование материалов в горнодобывающей промышленности.

1. современные горнодобывающие предприятия используют до 30 групп материалов и изделий

2. на каждый 1 м³ (кубометр) горной выработки расходуется до 1 м³ материала

3. удельный вес материалов по стоимости составляет до 60% от общих затрат на горные и горностроительные работы

Особенности использования материалов в горном и горно-строительном производстве:

1. высокая степень ответственности применяемых материалов

2. повышенные требования к материалам по сравнению с объектами, возводимыми на земной поверхности

3. необходимость эффективной защиты применяемых материалов в процессе эксплуатации

4. необходимость и масштабность применения разнообразных современных материалов

Билет 3: Требования к материалам в горном и горностроительном производстве:

Группа I: эксплуатационно-технические

1.соответствие стандартам и техническим условиям

2.высокая удельная прочность

3.надежность

4.долговечность

5.стойкость к воздействию агрессивной среды, температурных и иных негативных воздействий

6.работоспособность в условиях изменчивости статических и динамических нагрузок

7.экологическая безопасность

8.водо- и газонепроницаемость

Группа II: технологические:

1. транспортабельность, легкость монтажа, демонтажа

2. обрабатываемость и ремонтопригодность

3. возможность последующей утилизации

Группа III: экономические:

1. минимальная стоимость

2. бездефицитность (доступность)

Билет 4: Классификация материалов:

I. Классификация по агрегатному состоянию:

1. твердые (связные и несвязные)

2. жидкие

3. газообразные

II. Классификация по сырьевому признаку:

1. материалы и изделия из горных пород и отходов горного производства

2. лесоматериалы

3. вяжущие материалы и изделия из них

4. керамические материалы и изделия из них

5. материалы и изделия из материальных сплавов

6. металлы, металлические сплавы

7. материалы и изделия на основе полимеров

8. композитные материалы

9. химические реагенты

III. Классификация по назначению:

1. основные

2. вспомогательные

3. конструкционные

4. отделочные

5. специальные

6. смешанные

См. продолжение

Билет 6: Типы внутренних связей:

Строение вещества, определяемое силой взаимодействия между частицами, называется внутренней связью.

1. Ковалентная (это вид химической связи, которая осуществляется парой электронов, находящихся в общем владении двух атомов, образующих связь)

2. Ионная (это вид химической связи, который основан на электростатическом взаимодействии между противоположно заряженными ионами)

3. Металлическая (это вид химической связи атомов в веществах, которая вызывается наличием свободно движущихся валентных электронов. Они осуществляют коллективное взаимодействие атомов и удерживают их на определенном расстоянии друг от друга)

4. Водородная (это вид химической связи двух атомов при участии атомов водорода)

5. Молекулярная (это взаимодействие нейтральных молекул или атомов на основе электростатических сил, которые складываются из сил притяжения и отталкивания, обусловленных перекрыванием оболочек атомов)

Продолжение билета №4

IV. Классификация по характеру передела и обработки:

1. продукты механических и термических переделок

2. материалы металлургического передела

3. продукты химической обработки

4. продукты механической обработки

Специальные классификации материалов:

1. по сроку службы:

• долговечность

• надежность

2. по характеру деформации под нагрузкой

• хрупкие деформации

• пластичные деформации

3. по стойкости к внешним воздействиям:

• морозостойкость

• водостойкость

• огнестойкость

• водо- и газонепроницаемость

4. по технологичности

5. и другие

Билет 5: Внешнее и внутреннее строение материалов:

Существуют три уровня, называемых структурными, которые характеризуют строение материалов.

Уровень 1: Макроструктура:

Это строение, видимое невооруженным глазом или при оптическом увеличении до 30-40 раз.

Макроструктура твердых тел бывает:

1. конгломератное:

• туфы

• различные виды бетона

• некоторые керамические

• и другие материалы

2. ячеистая:

• наличие макропор, свойственных пемзе, ячеистым пластмассам, газо- и пенобетонам

3. мелкопористая:

• материалы, с высокой степенью затворения водой и выгорающими добавками

4. волокнистая:

• дерево

• стеклопластики

• изделия из минеральной ваты

продолжение билета №5

Резкое различие прочности, теплопроводности и других свойств вдоль и поперек волокон.

5. слоистая:

• слюда

• бумапласта

• текстолита

6. рыхло-зернистая структура:

• зернистые

• порошкообразные материалы

• заполнители для бетона

Уровень 2: Микроструктура:

Это строение вещества, видимое в оптический микроскоп. Макро- и микроструктуры определяют внешнее строение материала.

Уровень 3: Субструктура:

Это внутреннее строение вещества, которое характеризует строение материала на молекулярно-ионном и атомном уровне. Внутреннее строение изучается методами рентгена, структурного анализа, электроскопии и т.п.

Внутреннее строение веществ: твердые, жидкие, газообразные вещества состоят из атомов, молекул и ионов. Атом – мельчайшая частица химического элемента. Состоит из протонов, нейтронов и электронов. Молекула – наименьшая устойчивая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Ион – это атом или молекула, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько элементов.

Билет 7: Состояние материалов:

Определяется степенью упорядочивания атомов молекул и ионов.

Основные материалы, используемые в горном и горностроительном производстве, являются твердыми телами. И характеризуются стабильностью формы.

В зависимости от внутреннего строения структура материала может быть кристаллическая и аморфная.

Кристаллические и аморфные формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, причем кристаллическая форма всегда более устойчивая. Следовательно, аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую – кристаллическую.

Практическое значение имеет явление полиморфизма. Когда одно и тоже вещество способно существовать в различных кристаллических формах, называемых модификацией.

Особенностью кристаллического вещества являются определенная температура плавления при постоянном давлении и определенная геометрическая форма кристаллов каждой ее модификации. Свойства монокристаллов неодинаковы в разных направлениях (это механическая прочность, теплопроводность, скорость растворения, электропроводность и другие). Явление анизотропии является следствием внутреннего строения кристаллов. Анизотропия – различные свойства в различных направлениях.

Отличительные особенности аморфных материалов – это однородность свойств в разных направлениях (это изотропия), отсутствие точки плавления, постепенный переход из твердого агрегатного состояния в жидкое.

Особый вид аморфного состояния – это стеклообразное состояние, которое формируется при затвердевании переохлажденного расплава вещества с аморфным состоянием.

Жидкие вещества делятся на однокомпонентные нормальные жидкости, двух и более компонентные жидкости, или жидкие растворы и жидкие кристаллы. Это состояние жидкого вещества, характеризующееся анизотропией физических свойств.

Билет 8: Строение кристаллических веществ на атомной основе:

Кристаллическое строение веществ и материалов описывается геометрическими представлениями о кристаллической решетке. Кристаллическая решетка – это пространственное периодическое расположение атомов в кристаллическом веществе в трех измерениях.

Для описания кристаллической решетки в целом достаточно иметь описание ее элементарной ячейки.

Элементарная ячейка – это параллелепипед, построенный на узлах кристаллической решетки.

Узлы кристаллической решетки – это точи кристаллической решетки, в которых расположены атомы (или ионы).

РИСУНОК:

Билет 9: Виды кристаллических решеток:

1. Объемно-центрированный куб: атомы расположены в вершинах элементарной кубической ячейки и один в ее центре. Материалы: железо (до 910 С и выше 1390 С), хром, вольфрам, ванадий.

РИСУНОК:

2. Грани-центрированный куб: атомы в вершинах и по одному в центре каждой грани элементарной кубической ячейки. Материалы: железо(от 910 – до 1390 С), медь, никель, алюминий.

РИСУНОК:

Билет 10: Кристаллографические направления и плоскости:

Направление, проходящее через два узла кристаллической решетки, называется кристаллографическим направлением.

Плоскости, проходящие через три узла, называются кристаллографическими (или атомными) плоскостями.

Кристаллографическое направление характеризуется индексами вектора, выходящего из начала принятой в кристаллической решетке системы координат, т.е. тремя целыми взаимнопростыми числами пропорциональными координатам любого узла кристаллической решетки, лежащего на этом направлении.

РИСУНОК:

Продолжение билета №9

3. Гексагональный плотноупакованный куб: решетка имеет форму призмы с углами в основании 60 и 120. Атомы в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Материалы: магний, цинк..

РИСУНОК:

Продолжение билета №10

Каждая кристаллографическая плоскость в кристалле отсекает на осях координат целые числа периодов решетки, а обратные целые числа используются для описания положения кристаллографических плоскостей и называются индексами плоскостей.

РИСУНОК:

Билет 11: Дефекты кристаллических материалов:

Причины дефектов:

1. непостоянство стехиометрического состава (т.е. количественного соотношения между компонентами материала)

2. механические напряжения

3. трещины и поры

4. нарушение периодичности в кристаллической решетке:

а.

пустой узел и собственный ион в междоузлие

б.

посторонний атом в узле решетки

в.

Дислокация (блочное строение кристалла), т.е. возникновение дополнительной кристаллографической плоскости.

Билет 12: Влияние строения материалов на их свойства:

Свойства материалов зависят от типа внутренних связей, наличия и дефектов кристаллической решетки.

Рыхлые горные породы характеризуются наличием молекулярных связей или отсутствием связей вообще.

Связные горные породы характеризуются наличием ионных или молекулярных связей.

Твердые горные породы характеризуются наличием ковалентных металлических связей.

Свойства материалов предопределяются наличием в их кристаллической решетке большого числа подвижных электронов. К неметаллам относят вещества с уменьшенным числом электронов, а также вещества аморфного состояния. Отсюда наблюдается существенное различие в свойствах металлов и неметаллов. Пример: резкое отличие обыкновенного стекла и кристаллического стекла, которое обладает высокой пластичностью, упругостью, прочностью.

Итак, изменяя строение и внутренние связи в результате механической, термической, химической и радиационной обработке возможно управлять свойствами материалов в широком диапазоне.

Продолжение билета №11

Виды дислокаций:

1. линейная или краевая дислокация

2. винтовая дислокация

РИСУНКИ

3. геликоидальная дислокация

Дефекты кристаллической решетки оказывают существенное влияние на прочность. Теоретическая прочность бездефектных материалов в десятки раз превосходит их фактическую техническую прочность.

Билет 14: Понятие о фазовых превращениях вещества:

Фазовые превращения – переход вещества из одной фазы в другую под воздействием внешних условий.

Знание физической величины, при которой происходит фазовый переход называется точкой фазового превращения.

По характеру процесса фазовые превращения делятся на превращения 1 и 2 рода.

Фазовые превращения 1 рода характеризуются скачкообразными изменениями физических свойств вещества.

Фазовые превращения 2 рода сопровождаются скачкообразными изменениями одних свойств и постепенным изменением других.

Для описания фазовых превращений используют графические изображения. Это диаграмма состояния (или диаграмма фазового состояния).

Билет 13: Элементы и составные части, образующие материалы:

Элементы, образующие материалы, называются компонентами.

Минерал – природное тело, однородное по химическому составу и физическим свойствам, которое возникло в результате физико-химических процессов, протекающих в земной коре.

Горная порода – устойчивый агрегат одного или нескольких минералов, образующих самостоятельное геологическое тело.

Сплав – искусственное связное вещество, образованное двумя и более компонентами, прошедшими совместное плавление.

Фаза – составная часть материала, которая имеет одинаковый состав и строение, одно и тоже агрегатное состояние. Фазы – отделены между собой поверхностями раздела, при переходе через которые свойства материалов меняются скачкообразно.

Система – совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия. В системе различаются следующие фазы в зависимости от физико-химического взаимодействия компонентов: растворы, химические соединения, механические смеси, эвтектика.

1. Раствор – это фаза, составленная смесью равномерно распределенных компонентов в виде частиц.

Твердый раствор – фаза, в которой один из компонентов растворитель сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других компонентов располагаются в решетке растворителя (сплав железа с углеродом).

Твердые растворы:

Продолжение билета №13

А. замещения

РИСУНОК:

Здесь атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке.

Б. внедрения

РИСУНОК:

Атомы растворенного компонента располагаются в пустотах кристаллической решетки.

2. Химическое соединение – фаза, образуемая между компонентами, имеющими различия между кристаллическими решетками и в электронном строении атомов.

3. Упорядоченные твердые растворы – это растворы, устойчивые при низких температурах. Они обладают признаками как обычных твердых растворов, так и химических соединений. Следовательно, их можно рассматривать как промежуточную фазу.

4. Механическая смесь – такое состояние системы, при котором компоненты не образуют твердых растворов, химических соединений и промежуточных фаз.

5. Эвтектика – состояние системы, находящейся в равновесии одновременно с двумя и более фазами. Температура кристаллизации эвтектики называется эвтектической точкой. Продукт кристаллизации жидкой эвтектики – твердая эвтектика. Аналогичный продукт, возникающий при вторичной кристаллизации системы называется эвтектоидом.

Билет 15 Кристаллизация металлов и сплавов происходит при охлаждении жидкого металла. Кристаллы начинают образовываться одновременно во многих местах. Вначале они растут свободно, не мешая друг другу, имеют геометрически правильную форму и отличаются один от другого размерами и ориентировкой. По мере роста кристаллы соприкасаются и рост одних мешает росту других. В результате чего их правильная форма нарушается. Большинство Ме обладают свойствами аллотропии, способностью одного и того же элемента при различной температуре иметь разную кр. решетку.

Диаграмма охлаждения железа

Продолжение билета №15

1539º - t затвердения железа. Известны 4 аллотропические модификации Fe взаимно превращающиеся друг в друга:

α – Fe – объемно-центрир. кубическая кр/р.

β – Fe – ГЦК кр/р; γ – Fe – ОЦК; δ – Fe – ОЦК

Аллотропические превращения сопровождаются поглощением / выделением тепла. Охлаждение: железо затвердевает при t = 1539º, кристаллизуясь в виде δ – модификации с решеткой объемно-центрированного куба.

При t = 1392º δ – модификация переходит в γ – модификацию с ГЦК решеткой. При t = 910˚ происходит аллотр. превращение: ниже критической точки 910˚ Fе имеет кр/р ОЦК, причем в интервале t-р 910˚ - 768˚ оно немагнитно, а ниже 768˚ - магнитно.

Практическое значение имеет только α и γ – модификации Fe, т. к. δ и β отличаются от α только величиной межатомного расстояния, а для β еще характерно отсутствие магнитных свойств.

16 Диаграмма состояния сплавов железа с углеродом. 1868 г. рус. Металлург Чернов открыл кристаллические точки t-р, при которых происходят аллотропические превращения стали. Это открытие дало возможным опред. режимы горячей мех-й и термич-й обработки стали. В рез. Последующих исследований была построена диаграмма железисто-углеродистых сплавов, позволяющая определить состояние и структуру сплавов при любой t и любом содержании С в пределах до 6,67%

рисунок

Продолжение билета №16

Ж – жидкий сплав.

А – аустенит – твердый раствор С в γ-железе.

Сталь, имеющая структуру аустенита, немегнитна и обладает большой пластичностью. Кристаллы аустенита и жидкий сплав нах-ся ниже линии АС.

Ф – феррит – твердый раствор С в α – Fe. Характеризуется незначительной твердостью, невысокой прочностью, но большой пластичностью. Линия GS показывает t-ры начала выделения феррита из аустенита.

Ц – цементит – хим соединение Fe с С (карбид железа Fe₃C). Цементит весьма тверд и хрупок. Сплав цемента и жидкого сплава находится ниже линии CD.

Ц _I – цементит первичный

П – перлит – мех смесь феррита и цементита.

Эфтектоид – продукт распада медленно охлажд аустенита при t = 727˚ и содержании С = 0,8.

Л–ледебурит–мех смесь аустенита и цементита.

Эфтектика – продукт распада медленно охлажд аустенита при t = 1147 и содержании С = 4,3.

17 Характерные точки диаграммы.

А – t плавления чистого Fe = 1539˚

D – t плавления чистого цемента = 1550˚

G – t аллотропического превращения α – Fe в γ – Fe и обратно

Е – мах растворимость С в аустените при t = 1147˚ и содержании С = 2,14

S – эфтектоидная точка при С = 0,8

Q – мах растворимость С в феррите при комнатной t и С = 0,006%

Р – мах раств-ть С в феррите при t 727 и С=0,02

С – эфтектика при содержании С = 4,3

20 Технологические св.:

1 Свойства, харак-е обрабатываемость и ремонтопригодность материалов.

2 Транспортабельность

3 Трудоемкость монтажа – демонтажа

Потребительские св.:

1 Надежность. Осн. категории: долговечность, безотказность, сохраняемость.

2 Безотказность (оценивается продолж-тью работы до отказа).

3 Эстетические: цвет, фактура, дизайн.

4 Эргономика – наука, изучающая систему «человек – производственная среда» с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, обеспечения необход удобств, действующих развитию необход условий работников.

18 Характерные линии диаграммы.

ACD – линия ликвидуса – t начала плавления сплавов. Выше этой линии сплав нах-ся в жидком состоянии. Когда t сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации аустенита, а на линии CD – цементита.

AECF – линия солидуса – t окончания затвердевания сплавов.

GSECF – t начала вторичной кристаллизации

GPSK – t окончания вторичной кристаллизации

Стали – сплавы железа с углеродом, в которых содержание С до 2,14%. По содержанию С стали подразделяются: доэфтектоидные - С до 0,8%; эфтектоидные С = 0,8%; заэфтектоидные С = (0,8 – 2,14)% (Ц _II + П).

продолжение билета №18

Чугуны – сплавы Fe с С и С от 2,14 до 6,67%. По содержанию С чугуны делятся: доэфтектические С = (2,14 – 4,3)%; эфтектические С = 4,3% (ледебурит); заэфтектические С = (4,3 – 6,67)% (Ц _I + Л).

Технические Ме и сплавы представляют собой поликристаллические тела, т. е. тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен. Размеры зерен (поперечные) - 0,001-0,1 мм => в целом Ме и сплавы можно считать условно изотропными телами, т. е. обладающими одинаковыми свойствами во всех направлениях.

19 Физико-химические свойства:

1 Параметры состояния материалов:

- плотность; - объемный вес; - пористость; - температура; - зерновой состав, размер зерна (для дисперсных материалов).

2 Гидрофизические параметры:

- гигроскопичность; - водопоглащение; -влагоотдача; - газо-, паро-, водопроницаемость;

- влажностные деформации; - морозостойкость.

3 Теплофизические параметры:

- теплопроводность; - теплоемкость; - тепловое расширение; - термическое сопротивление; - термостойкость; - огнеупорность; - огнестойкость.

4 Электромагнитные параметры:

• диэлектрическая проницаемость;

• магнитная проницаемость;

• электрическая проводимость;

• удельное электрическое сопротивление;

• электрическая прочность.

5 Радиационные параметры: - активность естественных радионуклидов; - радиационная стойкость.

6 Химические параметры:

- хим и минеральный состав; - хим стойкость.

7 Акустические параметры: - звукопоглащение;

- звукоизоляция.

21 Деформационные параметры материалов

Механические св:

Деформация – относит смещение частиц м-ла без нарушения его непрерывности или сплошности. Относит деф – отношение абс деф к первоначальному линейному размеру тела:

ε = Δl / l, где Δl = l – l'.

Модуль упругости (Юнга) Е = σ / ε – связывает упругую деформацию ε и одноосное напряжение σ соотношением, выражающем з-н Гука: ε = σ / Е, где σ = Р (нагрузка)/S (площадь) [Па]. Мех св м-ла харак-ся диаграммой деф-ции, построенной на основании результатов испытаний в координатах (σ – ε). Е определяется тангенсом угла наклона производной dσ / dε к оси деф-ции.

тут диаграммы на обороте

Коэф Пуассона (коэф поперечного сечения):

μ = -ε_Х / ε_Z . Одноосное растяжение σ_Z вызовет удлинение по оси Z (+ε_Z) и сжатие по боковым осям (-ε_X, - ε_Y) , которые у изотропных материалов равны между собой по модулю.

Объемный модуль упругости (модуль всестороннего сжатия / растяжения):

К = Е / 3(1-2μ)

Модуль сдвига: G = E / 2(1+μ)

Вывод: экспериментально определив модуль Юнга Е и коэф Пуассона, можно вычислить объемный модуль упругости К и модуль сдвига G по этим формулам.