- •Белгородский государственный университет Экономический факультет Кафедра экономики и управления на предприятии
- •Рабочая программа исциплины «материаловедение»
- •Цели и задачи дисциплины
- •Требования к уровню освоения содержания дисциплины
- •3. Объем дисциплины и виды учебной работы
- •Содержание разделов дисциплины
- •Использования материалов
- •4.1. Темы семинарских занятий
- •Тема: Неметаллические материалы
- •Экзаменационные вопросы по дисциплине «Материаловедение»:
- •7. Учебно-методическое обеспечение курса
- •7.1. Рекомендуемая литература (основная):
- •8. Форма итогового контроля
- •9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
- •Учебно-практическое пособие Введение
- •Глава 1. Строение и основные свойства металлов
- •1.1.Кристаллическое строение твердых тел
- •1.2. Кристаллизация
- •1.3. Дефекты кристаллической решетки
- •1.3.1. Точечные дефекты
- •1.3.2. Линейные дефекты кристаллической решетки
- •1.3.3. Поверхностные дефекты
- •1.4. Методы изучения структуры металлов
- •Контрольные вопросы:
- •1.5. Свойства металлов и сплавов
- •1.5.1. Физические свойства
- •1.5.2. Химические свойства
- •1.5.3. Методы защиты от коррозии
- •1.5.4. Биокоррозия
- •Контрольные вопросы:
- •1.5.5. Механические свойства
- •1.5.6.Теоретическая и техническая прочность
- •1.5.7.Технологические и эксплутационные свойства
- •Эксплуатационные свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 2. Классификация материалов
- •Металлический тип связи характерен для более чем 80 элементов таблицы Менделеева.
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 3. Черные металлы и сплавы
- •3.1. Строение и свойства сплавов
- •Сплавы на основе железа. Компоненты и фазы системы железо - углерод
- •3.3. Основные типы диаграмм состояния
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 4. Углеродистые и легированные стали и чугуны
- •4.1.Конструкционные стали
- •4.1.1. Конструкционные углеродистые стали
- •4.1.2. Конструкционные легированные стали
- •4.1.3. Специальные легированные конструкционные стали
- •4.2. Инструментальные стали
- •4.3.Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •4.3. Чугуны
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 5. Термическая и химико-термическая обработка сплавов
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 6. Цветные металлы и сплавы
- •6.1.Алюминий и его сплавы
- •Алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные.
- •Контрольные вопросы:
- •6.2. Медь и ее сплавы
- •Медно-никелевые сплавы - это сплавы на основе меди, в которых основным легирующим компонентом является никель - это куанали, мельхиор, нейзильбер, манганин, копель и т.Д.
- •Контрольные вопросы:
- •6.3. Никель и его сплавы
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 7. Неметаллические материалы
- •7.1.Высокомолекулярные соединения (Полимеры)
- •Контрольные вопросы:
- •7.1.1. Пластмассы или пластики
- •Контрольные вопросы:
- •7.1.2. Эластомеры (каучуки и резины)
- •Контрольные вопросы:
- •7.1.3.Химические волокна
- •Контрольные вопросы:
- •Полимерные покрытия (пленкообразующие): лаки, эмали, краски, компаунды
- •Контрольные вопросы:
- •7.1.5. Пленкообразующие материалы: клеи и герметики
- •Контрольные вопросы:
- •Глава 8. Керамические материалы
- •8.1.Строительная керамика
- •8.2. Огнеупорные керамические материалы
- •8.3. Кислотоупорные керамические соединения
- •8.4. Тонкая керамика
- •8.5. Керамика как облицовочный строительный материал
- •8.5.1.Керамические изделия, используемые в декоративной отделке зданий и сооружений
- •8.5.2. Виды керамической плитки
- •8.6. Керамическая черепица
- •8.7. Вяжущие вещества
- •Кислотоcтойкие вяжущие вещества. Эти вещества разделяются на кислотоупорные цементы и замазки.
- •8.8. Стекло
- •8.8.1. Ситаллы
- •Глава 9. Композиционные материалы
- •9.1. Композиционные материалы с металлической матрицей
- •9.2.Композиционные материалы с неметаллической матрицей
- •9.3. Композиционные материалы в строительстве.
- •Глоссарий
- •Глава 1. Строение и основные свойства металлов
- •1.1.Кристаллическое строение твердых тел 12
- •1.2. Кристаллизация 14
- •Глава 2 . Классификация материалов 40
- •Глава 3 . Черные металлы и сплавы 45
- •Глава 4. Углеродистые и легированные стали и чугуны 57
- •7.1.1.Пластмассы или пластики 115
- •7.1.5 Пленкообразующие материалы: клеи и герметики 148
- •8.5. Керамика как облицовочный строительный материал 166
- •Глава 9. Композиционные материалы. 188
Глоссарий
Материаловедение - является прикладной наукой о строении и свойствах технических материалов, основной задачей которой является установление связи между их составом, структурой и свойствами, а также их изменение при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.)
Кристаллическая решетка - представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой расположены атомы (ионы) образующие кристалл.
Анизотропия – зависимость свойства (физических, механических) вещества являются от кристаллографического направления.
Полиформизмом или аллотропией называется наличие разного кристаллического строения одного и того же вещества при различных температурах.
Дефекты кристаллической решетки: точечные дефекты в кристаллах – вакансии и внедренные атомы; дислокация – линейный дефект кристаллической решетки, имеющий протяженность только в одном направлении; Двумерные или плоские несовершенства (которые малы только в одном измерении) - представляют собой поверхности раздела между отдельными зернами, блоками поликристаллического металла
Механические свойства материалов определяют поведение материала при деформации и разрушении под воздействием внешних нагрузок
Деформация – изменение формы и размеров твердого тела под влиянием приложенных внешних сил.
Упругая деформация – имеет место пропорциональная зависимость между деформирующими силами и смещениями атомов. После снятия внешних сил твердое тело восстанавливает свои исходные размеры и форму.
Пластическая (остаточная)деформация - при прекращении действия сил твердое тело не полностью восстанавливается.
Статическое нагружение - нагрузка на образец возрастает медленно и плавно). К статическим испытаниям относятся испытания на растяжение, сжатие, кручение, изгиб, твердость, пластичность.
Динамическое нагружение – нагрузка возрастает с большой скоростью, может иметь ударный характер.
Повторно-переменное нагружение – нагрузка меняется и по величине и по направлению (циклические нагрузки).
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок и оценивается пределом прочности и пределом текучести
Твердость - это свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в поверхность.
Усталость - процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.
Конструкционные материалы — твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому воздействию.
Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии
Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов.
Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности, они предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента.
Рабочие тела - газообразные и жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту.
Топливо — горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии.
Технологические материалы — обширная группа вспомогательных материалов, используемых для нормального протекания технологических процессов переработки основных технических материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин.
Сплавом называется вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более элементов, простых веществ, называемых компонентами.
Фазой называют однородную часть системы образованную компонентами сплава и отделенную от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура меняется скачкообразно.
Твердый раствор образуется тогда, когда кристаллы сплава содержат одновременно несколько компонентов, которые могут входить в состав кристалла в произвольных весовых количествах. Твердый раствор имеет один тип решетки и представляет одну фазу.
Химическое соединение, как раствор, имеет однородную структуру, состоящую из атомов обоих элементов в строго определенных соотношениях. Химические соединения имеют постоянный состав и новую, особую кристаллическую решетку.
Механические смеси образуются при сплавлении компонентов с большим различием атомных радиусов и значительным различием электрохимических свойств и их взаимная растворимость очень мала. При образовании механической смеси кристаллические решетки фаз не меняются.
Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую объемно-центрированную решетку, максимальная растворимость при 727 °С составляет 0,02 % С. Феррит магнитен, характеризуется низкой прочностью и твердостью и высокой пластичностью.
Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в -железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в γ-железе при температуре 1147°С - 2,14%. Аустенит немагнитен.
Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе3С), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена и принимается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью и очень низкой пластичностью.
Перлит (П) - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83 % С; образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет его механические свойства.
Ледебурит (Л) - механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и при содержании 4,3% С. Ледебурит хрупок. Так как при температуре ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, то ледебурит ниже этих температур состоит из цементита и перлита.
Диаграммы состояний - представляют собой графическое изображение равновесного или неравновесного состояния сплавов (в координатах температура – состав).
Эвтектика - точка на диаграмме состояний, где происходит одновременная кристаллизация обеих фаз при постоянной и самой низкой для данной системы сплавов температуре.
Термической обработкой называют процессы, связанные с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения структуры и свойств без изменения его химического состава.
Термомеханическая обработка (ТМО) - это совокупность операций пластической деформации и термической обработки, совмещенных в одном технологическом процессе, который включает нагрев, пластическое деформирование и охлаждение. 44
Химико-термической обработкой (ХТО) называется процесс поверхностного насыщения стали различными элементами с целью придания ей соответствующих свойств.
Дюралюмины - сплавы алюминия с медью, магнием, марганцем
Магналии – конструкционные сплавы на основе алюминия с большим содержанием в них магния.
Силумины – литейные сплавы алюминия и кремния
Латуни - двойные или многокомпонентные сплавы на основе меди, в которых основным легирующим элементом является цинк.
Бронзы - сплавы меди с оловом, алюминием, кремнием, марганцем, свинцом, бериллием называются бронзой. В зависимости от введения элемента бронзы называют оловянными, алюминиевыми, бериллиевыми и д.р.
Нейзилъберы - сплавы (медь - никель - цинк) содержат 15% никеля, 20% цинка, остальное - медь.
Мельхиоры – сплавы (медь - никель - небольшие добавки железа и марганца до 1%).
Пермаллои - ферромагнитные сплавы никеля (до 80%) с железом
Нихром - общее название группы жаростойких сплавов никеля (65-80%) с хромом (15-30%).
Ковар содержит 18% Со и 29% Ni, остальное железо. Характеризуется низким коэффициентом теплового расширения близким к коэффициенту теплового расширения стекла
Высокомолекулярные соединения (ВМС) или просто полимеры - это химические вещества, которые состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев), соединенных между собой химическими (ковалентными) связями.
Пластическими массами называют полимерные материалы, полимерная фаза которых находится в период формования изделия в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а при эксплуатации в аморфном стеклообразном или кристаллическом состоянии.
Термопластичные материалы или термопласты - полимерная фаза, которых, при горячем формовании изделия не отверждается и пластмасса сохраняет способность переходить вновь в вязкотекучее состояние при повторном нагреве.
Термореактивные материалы или реактопласты - переработка их в изделия сопровождается реакциями образования трехмерной структуры в полимерной фазе (отверждение полимера) и изделие необратимо теряет способность переходить в вязкотекучее состояние.
Полиэтилен – твердое полупрозрачное вещество (термопласт). Отличается высокой прочностью, хорошо выдерживает низкую температуру (до-700С). Он влаго- и газонепроницаем, не набухает в воде, эластичен в широком интервале температур, устойчив к действию кислот и щелочей, обладает очень хорошими диэлектрическими свойствами. Не растворяется в обычных органических растворителях. 60
Полистирол – также представитель термопластических пластмасс. Это аморфный, твердый, жесткий, прозрачный полимер, имеющий преимущественно линейное строение. Применяются для изготовления листов и деталей методом литья под давлением. Он обладает абсолютной водостойкостью.
Фторопласт-4 химически абсолютно стоек. На него оказывают действие только расплавы солей щелочных металлов и фтор при высоких температурах. Коэффициент трения фторопласта-4 в семь раз ниже коэффициента трения хорошо полированной стали, что способствует использованию его в машиностроении для трущихся деталей без применения смазки.
Фенопласты (реактопласты) - Их изготовляют на основе фенолформаль-дегидных смол, они широко распространены благодаря простому и дешевому способу получения сырья и его переработки, а также возможности изготовления из этих материалов сложных изделий. Фенопласты отличаются высокой прочностью, теплостойкостью, стойкостью к кислотам, щелочам и органическим растворителям, а также наличием диэлектрических свойств.
Текстолит - это слоистая пластмасса (реактопласт), где в качестве наполнителя используется хлопчатобумажная ткань, в качестве связующего - фенолформальдегидная смола.
Гетинакс - это слоистая пластмасса (реактопласт) на основе фенолформаль-дегидной смолы и листов бумаги.
Эластомеры один из важнейших классов линейных полимеров, молекулярные цепи которых имеют высокую гибкость и относительно слабое межмолекулярное взаимодействие. Вследствие этого они обладают высокоэластическими свойствами во всем диапазоне температур их эксплуатации.
Волокнами называют материалы, частицы которых представляют гибкие и прочные тела с длиной многократно превышающей размеры поперечного сечения, пригодные для изготовления пряжи и текстильных изделий.
Поликапроамидное волокно - капрон (синонимы: силон, найлон-6, перлон, дедерон, амилан) выпускают в виде непрерывной нити и штапельного волокна. Капроновое волокно применяется для производства автомобильного корда, парашютных тканей, канатов, веревок, конвейерных лент и т.д.
Полиэфирное волокно - наиболее ценным является полиэтиленг-ликолътерефталатное волокно - лавсан (синонимы: дакрон, термлен, тревира, элана и др.). На основе лавсана изготавливают различные ткани и трикотаж для верхней одежды, ковров, технических сукон, фильтровальных и обивочных материалов.
Лакокрасочные материалы - группу химических продуктов, предназначенных для получения защитных и декоративных покрытий.
Компаунды — пропиточные и заливочные составы, не содержащие растворителя, находящиеся в момент применения при нормальной повышенной температуре в жидком состоянии и твердеющие после применения в результате охлаждения или в результате происходящих в них химических процессов.
Клеи - это растворы или расплавы полимеров, а также неорганические вещества, которые наносятся на какую-либо поверхность. После высыхания (затвердевания) образуются прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам.
Герметики –пастообразные или вязкотекучие массы на основе полимеров и олигомеров, вулканизирующиеся (отверждающиеся) в зазорах конструкций с образованием эластичных прослоек или покрытий, предотвращающих утечки рабочих сред.
Керамика - это изделия из различных видов минерального сырья, изготовленные формовкой или отливкой с последующей сушкой и обжигом до спекания.
Строительная керамика включает обыкновенный (красный) силикатный, пустотелый, пористый кирпич, глиняные плитки, черепицу, строительную терракоту, строительная плитка для пола, дренажные трубы.
Огнеупорными керамическими материалами (огнеупорами) называют неметаллические материалы, характеризующиеся повышенной огнеупорностью, то есть способностью противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур выше 10000С.
Вяжущими называют порошкообразные минеральные вещества, образующие при смешении с водой (затворении) пластичную, удобную для формования массу, которая со временем затвердевает в прочное, камневидное тело.
Портландцемент - (гидравлический цемент) называется гидравлический вяжущий материал, состоящий из силикатов, и алюмосиликатов кальция различного состава.
Бетоном называется искусственный камень, получаемый при затвердевании затворенной водой смеси цемента, песка и заполнителя.
Стекло - переохлажденный расплав смеси оксидов и бескислородных соединений, обладающий высокой вязкостью и по внешнему виду имеющий много общего с твердым (кристаллическим) телом
Ситаллы представляют собой стеклокристаллические (микрокристаллические) материалы, получаемые путем направленной (катализированной) кристаллизации стекол специальных составов, протекающей в объеме заранее отформованного изделия.
Композиционными материалами (композитами) называются материалы, образованные в результате объемного сочетания химически разнородных компонентов с четкой границей раздела между ними.
Композиционные материалы с металлической матрицей состоят из металлической матрицы (чаще А1, Мg, Ni и их сплавы), упроченной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое.
Композиционные материалы с неметаллической матрицей - в качестве неметаллических матриц используют полимерные, углеродные и керамические материалы. Из полимерных матриц наиболыне распространение получили эпоксидная, фенолформапьдегидная и полиамидная.
Карбоволокниты (углепластики)- композиционные материалы на основе полиамида эпоксидной, эпокситрифенольной и других смол различного состава с упрочнителями из углеродных волокон (карбоволокон).
Бороволокниты содержат в качестве армирующего наполнителя борные волокна. Борные волокна используются в виде отдельных нитей, лент различной ширины, листового шпона, тканей. В боропластиках матрицей служат модифицированные эпоксидные и полиимидные смолы.
Органоволокниты - композиционные материалы, состоящие из полимерной матрицы и наполнителей - синтетических волокон - капрона, нитрона, найлона, лавсана.
Композиционные материалы с керамической матрицей или керметы синтезируют методом порошковой металлургии на основе тугоплавких оксидов, боридов, карбидов и нитридов различных элементов и содержат такие тугоплавкие металлы как хром, молибден, вольфрам, тантал.
Железобетон - является типичным представителем строительных композитов. В качестве матрицы в железобетоне выступает стальная арматура, в качестве заполнителя - бетон.
Содержание
Рабочая программа дисциплины «Материаловедение» 3
Учебно-практическое пособие 11
Введение 11