- •Ю. А. Манаков материаловедение
- •Методические указания по выполнению семестрового задания
- •Теоретические материалы
- •Тема 1. Основные понятия
- •Теоретический материал
- •1.1. Общие понятия и определения
- •1.2. Классификация материалов
- •1.3. Требования к материалам при их выборе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 2. Строение металлов
- •Теоретический материал
- •2.1. Кристаллические и аморфные тела
- •2.2. Строение чистых металлов
- •2.3. Кристаллографические направления и индексы
- •Анизотропия
- •2.4. Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
- •2.5. Дефекты кристаллического строения
- •2.6. Дислокационный механизм пластической деформации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 3. Строение сплавов. Диаграммы состояния
- •Теоретический материал
- •3.1. Строение сплавов
- •3.2. Диаграммы состояния двойных сплавов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 4. Строение неметаллических материалов
- •Теоретические материалы
- •4.1. Строение полимеров
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.2. Строение стекол
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.3. Строение керамики
- •Вопросы для самоконтроля
- •4.4. Композиционные материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 5. Свойства материалов и их определение
- •Теоретические материалы
- •5.1. Классификация свойств материалов, их общая характеристика
- •5.2. Механические (прочностные) свойства материалов
- •5.3. Твердость материала
- •5.4. Теплофизические свойства
- •5.5. Изменение свойств материалов
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
- •Теоретические материалы
- •6.1. Диффузия
- •6.2. Термическая обработка
- •Виды и операции то
- •6.3. Химико-термическая обработка
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 7. Металлические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •7.1. Сплавы железа с углеродом Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
- •Классификация сталей
- •Углеродистые стали
- •Легированные стали
- •Стали и сплавы с особыми свойствами
- •Сортамент сталей
- •Вопросы для самопроверки
- •7.2. Цветные металлы и сплавы Медь и ее сплавы
- •Проволока дкрнм-0,6-кт-л80ам гост 1066-80 –
- •Алюминий и его сплавы
- •Сплавы магния
- •Сплав мл5 гост2856-79. Титан и его сплавы
- •Бериллий и сплавы на его основе
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
- •Теоретические материалы
- •8.1. Термопластичные и термореактивные пластмассы
- •8.2. Керамика, стекло, ситаллы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Темы 9,10,11. Электротехнические материалы
- •Теоретические материалы
- •9.1. Энергетические зоны твердого тела
- •9.2. Проводниковые материалы Понятие об электропроводности
- •Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
- •Классификация и характеристика проводниковых материалов
- •9.3. Полупроводниковые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 10. Диэлектрические материалы
- •Теоретические материалы
- •10.1. Классификация и основные свойства диэлектриков
- •10.2. Поляризация диэлектриков и ее виды
- •.Влияние температуры и частоты на поляризацию
- •10.3. Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
- •10.4. Диэлектрические потери
- •10.5. Электрическая прочность диэлектриков
- •10.6. Нагревостойкость диэлектриков
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 11. Магнитные материалы
- •Теоретические материалы
- •11.1. Общие положения
- •11.2. Основные свойства и параметры магнитных материалов
- •11.3. Классификация магнитных материалов и их характеристика
- •Магнитомягкие материалы
- •Магнитотвердые материалы
- •Вопросы для самоконтроля
- •Тема 12. Понятие о точности обработки и шероховатости поверхности
- •Теоретические материалы
- •12.1. Точность размеров
- •12.2. Шероховатость поверхности
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Содержание
5.5. Изменение свойств материалов
На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств.
Повышение прочности материала повышает надежность машин и приборов, снижает расход материала, что приносит значительный экономический эффект. Повысить прочность металлов и сплавов можно: 1. Созданием металлов и сплавов с бездефектной структурой (рисунок 8); 2.Повышением плотности дефектов (в том числе дислокации), затрудняющих движение дислокаций; 3. Изменением химического состава (легированием) или структуры сплава. 4.ТО или ХТО. 5.Термомеханической обработкой. Повышение прочностных свойств деталей возможно также при использовании композиционных материалов вместо традиционных.
Нитевидные кристаллы обладают прочностью, близкой к теоретической. В них практически отсутствуют дислокации и другие дефекты ( рисунок 8, левая ветвь кривой). При увеличении количества дефектов (точечных, дислокаций и других) кристаллического строения свыше значений порядка 1010 м-2 происходит упрочнение металла (рисунок 8, правая часть кривой ). Применяемые способы упрочнения металлов – деформационное упрочнение, легирование, термическая и термомеханическая обработка и другие. основаны на создание условий для торможения дислокаций в результате увеличения их плотности.
Пластическое деформирование приводит к образованию полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку около точечных дефектов, повышению плотности дислокации и появлению остаточных, пластических деформаций, что упрочняет материал (рисунок 21). При повторном нагружении такого материала он выдержит большие напряжения.
При легировании и термической обработке упрочнение связано с образованием твердых растворов с различными фазами или структурами, например мартенсита. При образовании твердых растворов происходит искажение области кристаллической решетки вокруг атомов растворенного элемента, находящихся в плоскости скольжения , что затрудняет продвижение дислокаций. Движение дислокаций затрудняет также и дефекты на границах зерен поликристаллических материалов. Таким образом, торможение движения дислокаций приводит к упрочнению материала. Чем больше дислокаций, тем выше сопротивление пластическим деформациям, т. е. выше прочность. Предел текучести после упрочнения увеличивается с увеличением плотности дислокаций, и определяется зависимостью , где - предел текучести до упрочнения; а – коэффициент, учитывающий вклад других механизмов торможения дислокаций; - вектор Бюргерса; G – модуль сдвига; р – плотность дислокаций.
При измельчении зерна повышение прочности описывается, как указывалось выше, зависимостью , где - напряжение предела текучести после упрочнения; - напряжение предела текучести до упрочнения (напряжение, необходимое для движения свободной дислокации); К – коэффициент, характеризующий прочность блокировки дислокаций; d – диаметр зерна.
При увеличении подвижности дислокаций, наоборот- возрастает пластичность материала. Повышение пластичности достигается операциями отжига при ТО. Примеси, концентрирующиеся по границам зерен и в зоне дислокаций, затрудняют движение дислокаций. Поэтому очистка металла от примесей, а также упрочняющая термообработка с получением требуемой структуры, повышает прочность.
Рассмотренные способы упрочнения, легирование материала, механические деформации, термомеханическая, термическая и химико - термическая обработка применяют не только для упрочнения материала. Диффузионное легирование применяют для получения p-n переходов в различных полупроводниковых устройствах. В результате термообработки уменьшают количество дефектов в структурах проводниковых материалов, что увеличивает электропроводность. Эвтектические композиционные материалы с нитевидными кристаллами обладают не только повышенными прочностными свойствами, но и анизотропией магнитных и электрических свойств. Текстурирование электротехнической стали повышает магнитные свойства в направлении проката.