ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Бычков Р.А.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

И ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебно-методическое пособие

предназначено для студентов, обучающихся по специальности

20.02.03 и 20.02.04.

Информация к размышлению. Стандарт дисциплины.

Материаловедение: строение металлов и сплавов, пластическая деформация, влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла, механические свойства металлов и сплавов, конструкционные материалы, термическая и химико-термическая обработка металлов, конструкционные пластики, композиты, электротехнические материалы; технология конструкционных материалов: получение заготовок литьём и пластическим деформированием, пайкой и склеиванием материалов, формообразование поверхностей деталей резанием, электрофизическими и электрохимическими способами обработки, обработка поверхностей деталей абразивным инструментом, точность обработки и шероховатость поверхностей деталей, типовое технологическое оборудование и инструменты.

Москва 2010 Оглавление

1. Введение. 3

2. Структура твёрдых тел. 4

2.1. Механизм кристаллизации 12

2.2. Термодинамика кристаллизации 13

2.3. Правило фаз Гиббса, фазовые диаграммы 14

2.4. Процессы структурообразования 18

2.5. Надмолекулярная структура полимеров 23

3. Основные свойства материалов 26

3.1. Механические свойства материалов 26

3.2. Теплофизические свойства материалов 30

3.3. Электрические свойства материалов 34

3.3.1. Проводники, полупроводники, диэлектрики 34

3.3.2. Основные электрические характеристики материалов 36

3.4. Магнитные свойства материалов 46

4. Металлические материалы. 50

5. Стёкла, ситаллы. 74

6. Техническая керамика 76

7. Полимерные материалы 95

8. Углеродные материалы и композты 141

9. Полупроводниковые материалы

9. Технология конструкционных материалов 148

9.1. Технология металлических материалов 148

9.2. Переработка полимерных материалов 157

9.3 Технология стеклянных материалов 169

9.4. Технология керамических материалов 174

Проверить нумерацию рисунков, таблиц.

1. Введение.

Материаловедение – наука о материалах, методах их получения, переработке, об их свойствах и областях их использования. Правильный выбор материалов даёт важный, иногда определяющий эффект в создании высокоэффективных и экономичных приборов, машин и механизмов.

Материалы могут находиться в различных фазовых и агрегатных состояниях. По электрическим свойствам они подразделяются - на проводники, полупроводники и диэлектрики (включая электроизоляционные материалы). По магнитным свойствам - на сильномагнитные и слабомагнитные.

Свойства материалов определяются их строением и видами связей, которыми атомы и молекулы связаны между собой.

Существует 3 типа химических связей – ионная, ковалентная и металлическая. Ковалентная связь заключается в образовании общих электронных пар атомов, ионная – в переходе валентных электронов от одного атома к другому и образованию разноимённо-заряженных ионов. Металлическую связь можно рассматривать как разновидность ковалентной связи с тем отличием, что общая пара электронов делокализована, т.е. не имеет постоянного места. Этим объясняется электропроводность, теплопроводность, ковкость, пластичность металлов.

Эти 3 типа химических связей являются идеализированными представлениями о химическом связывании. В действительности реализуется некоторое промежуточное состояние и когда говорят, например, что какое-либо вещество является ковалентным, то подразумевают, что в химической связи вклад ковалентности преобладает.

Прочность ковалентных химических связей достаточно велика. Так, прочность связи в молекуле водорода составляет 436 кДж/моль, связь Н – СН₃ 435 кДж/моль, связь СН₃-СН₃ - 368 кДж/моль, связь СН₃-С₆Н₅ – 389 кДж/моль, связь Si-О – 432 кДж/моль.

Ковалентные связи могут быть полярными и неполярными. Связь будет полярной, если она образуется между атомами с различной электроотрицательностью. В этом случае электронные облака смещаются к более электроотрицательному атому. В результате на более электроотрицательном атоме образуется условный отрицательный заряд δ^-, а на менее электроотрицательном атоме – условный положительный заряд δ⁺. Если в молекуле имеются полярные ковалентные связи и молекула не симметрична, то она будет полярной. Мерой её полярности является электрический момент диполя . Момент диполя  есть вектор, направленный от положительного заряда к отрицательному и равный произведению заряда q и расстояния L между зарядами  = q L. Размерность – Дебай D. 1D = 3,3310^-30 Клм. Наиболее полярные связи – ионные. Например, в КВr дипольный момент равен 10 D. Ковалентные связи менее полярны,  = 0,5  4 D.

Важную роль играют более слабые (4 – 40 кДж/моль) межмолекулярные связи. Они включают силы Ван-дер-Ваальса и водородную связь. Силы Ван-дер-Ваальса – это ориентационные, индукционные и дисперсионные взаимодействия. Особенно прочны межмолекулярные водородные связи, например, в воде между атомом Н одной молекулы и атомом О другой молекулы, между Н и N в аммиаке. Эти связи существенны в жидкостях, в аморфных веществах, в биологических структурах. Для иллюстрации влияния водородных связей на свойства веществ можно привести температуры плавления и кипения халькогенидов водорода .

Халькогенид	Тпл оС	Ткип оС
Н2О	0 (экстраполяция = -120оС)	+100 (экстраполяция =-90оС)
Н2S	-85,6	-60,7
Н2Se	-64	-42
Н2Те	-48	-1,8

Если бы в воде не было водородных связей, то можно было бы ожидать плавление воды при – 120^оС и кипение при -100^оС, т.е. в наших условиях вода была бы в газообразном состоянии.

Межмолекулярные связи обусловливают склеивание и прилипание, влияют на многие характеристики материалов, на прочностные свойства.