Материалы

Материалы — это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов.

Различают следующие  разновидности материалов:

— сырье, или сырые материалы, которые  подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);

— полуфабрикат — переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, годным к потреблению.

Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.

Материаловедение  — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов, как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ.

Материаловедение можно отнести  к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств  материалов. Кроме того, эта наука  использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов. При изготовлении наукоёмких изделий в промышленности, особенно при работе с объектами микро- и наноразмеров необходимо детально знать характеристику, свойства и строение материалов. Решить эти задачи и призвана наука — материаловедение.

Методы, используемые материаловедением:

- металлографический анализ,

- электронная микроскопия, 

- сканирующая зондовая микроскопия, 

- рентгеноструктурный анализ,

- механические свойства,

- калориметрия,

-  ядерный магнитный резонанс,

- термография.

Направления исследований материаловедения

• Нанотехнология — создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров.
• Кристаллография — изучение физики кристаллов, включает:
• Дефекты кристаллов — изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла.
• Технологии дифракции, такие как рентгеноструктурный анализ, используемые для изучения фазового состояния вещества.
• Металлургия (Металловедение) — изучение свойств различных металлов
• Керамика, включает:
• создание и изучение материалов для электроники, например, полупроводники
• структурная керамика, занимающаяся композитными материалами, напряжёнными веществами и их трансформациями.
• Биоматериалы — исследование материалов, которые можно использовать в качестве имплантатов в человеческое тело.

Разделы наук, на которых  базируется материаловедение

Термодинамика — для изучения стабильности, изменений фаз, для построения фазовых  диаграмм.

Термический анализ, термогравиметрия — для изучения изменения свойств материалов при воздействии температуры и при взаимодействии с различными газами.

Кинетика — при изучении изменений  фазового состояния вещества, термического разложения структуры и диффузии.

Химия твёрдого тела — для изучения химических процессов, проходящих в  твёрдой фазе.

Физика твёрдого тела — для изучений квантовых эффектов в твёрдых  материалах, например, исследование полупроводников  и сверхпроводников.

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛОВ И  СПЛАВОВ.

Металлы и их сплавы повсеместно  используются для изготовления конструкций  машин, оборудования, инструмента и  т. Д

В природе металлы встречаются  как в чистом виде, так и в  рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг.

Металлические материалы обычно делятся  на две большие группы:

железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, делятся на следующие группы:

- железистые – (железо, кобальт, никель, марганец);

- легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью  до 5 г/см3;

- тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см3;

- легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с  температурой плавления 232; 327; 410 °С  соответственно;

- тугоплавкие металлы W, Mo, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);

- благородные металлы Au, Ag, Pt с  высокой устойчивостью против  коррозии;

 

 

Свойство — характеристика материала, проявляющаяся в процессе его обработки, применении или эксплуатации.

Качество — совокупность свойств материала, обуславливающих его способность удовлетворять определённым требованиям в соответствии с его назначением.

Свойства  материалов и изделий  классифицируют на четыре основные группы:

- физические,       - механические,     - химические,       - технологические  и др.

 

К химическим относят способность материалов сопротивляться действию химически агрессивной среды, вызывающие в них обменные реакции приводящие к разрушению материалов, изменению своих первоначальных свойств: растворимость, коррозионная стойкость, стойкость против гниения, твердение.

Физические свойства: средняя, насыпная, истинная и относительная плотность; пористость, влажность, влагоотдача, теплопроводность.

Механические свойства: пределы  прочности при сжатии, растяжении, изгибе, сдвиге, упругость, пластичность, жёсткость, твёрдость.

Технологические свойства: удобоукладываемость, теплоустойчивость, плавление, скорость затвердевания и высыхания.

Механические свойства – это  группа свойств, которые характеризуют  способность конструкционных материалов выдерживать различные механические нагрузки: прочность, пластичность, упругость, твердость, ударную вязкость, предел выносливости, износостойкость.

 

Твердость — сопротивление металла вдавливанию в него других, более твердых тел.

Деформация — это изменение формы и размеров (или разрушение) деталей под действием нагрузок. В зависимости от направления действия механических нагрузок различают следующие виды деформации деталей и механизмов:

-. деформация сжатия, которую испытывают шобот и баба кузнечного молота, пресса, пуансон и матрица, а также заготовки в процессе ковки, штамповки и прессования;

• деформация растяжения, которую испытывает трос подъемного крана;
• деформация кручения, которую испытывают шпиндель сверлильного и токарного станков, ходовые винты, валы и др.;
• деформация среза или сдвига, которую можно наблюдать при механической обработке деталей на металлорежущих станках, зубчатых зацеплениях, шпонках, шпильках, штифтах, образующих неподвижные соединения (посадки) деталей и механизмов и т.д.;

- деформация изгиба, характерная для стрелы подъемно-мостового крана, пролетов различных мостов и т.д..

В зависимости от физико-механической природы конструкционных материалов различают упругие и пластические деформации. При упругих деформациях форма и размеры деталей после снятия нагрузки возвращаются в исходное состояние. При пластических деформациях происходит изменение размеров и формы деталей после прекращения нагрузки (остаточная деформация).

Прочность — это способность конструкционных материалов выдерживать (или не выдерживать) различные механические нагрузки не разрушаясь (или разрушаясь). Прочность определяется пределом прочности при растяжении (временным сопротивлением), который характеризует напряжения или деформации, соответствующие максимальным (до разрушения образца) значениям нагрузки

В материаловедении под химическими свойствами понимают характер взаимодействия атомов металлов с другими металлами или неметаллами в процессе кристаллизации (затвердения). В зависимости от механизма взаимодействия атомов соединяемых веществ образуются различные химические структуры (сплавы).

Благодаря взаимодействию с внешней  средой на поверхностях конструкционных  материалов происходят изменения химического состава. Эти изменения проявляются в различных формах в зависимости от степени активности материалов. Наиболее активно химическое взаимодействие происходит с кислородом и водой (окисление). При этом железо покрывается толстым коричневым слоем коррозии (ржавчины), медь – зеленым налетом, алюминий – серой пленкой, свинец – тускнеет и т.д..

Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией

Разрушение поверхности металла  коррозией может быть вызвано  несколькими причинами: искаженной формой атомно-кристаллической структуры, химической неоднородностью (ликвацией), остаточными напряжениями, окружающими физическими условиями и другими факторами.

В зависимости от рабочей среды, в которой постоянно находятся детали, механизмы и конструкции из металлов и их сплавов, процессы коррозии подразделяются:

• на газовую коррозию (в сухих газах);

атмосферную коррозию (в условиях открытой атмосферы, влажного естественного  воздуха);

коррозию в жидких растворах (воде, электролитах, неэлектролитах, нефти и нефтепродуктах);

• почвенную коррозию.

Коррозионные разрушения (рис.) конструкционных материалов бывают следующих видов:

общая, или сплошная, коррозия поверхности  металлов; язвенная коррозия;

структурно-избирательная коррозия;

межкристаллитная (интеркристаллитная) коррозия;

местная коррозия;

коррозия под напряжением;

щелевая коррозия;

По механизму воздействия на разрушение металла коррозия металлов подразделяется на химическую и электрохимическую

Химическая  коррозия происходит под воздействием на поверхность металлов и сплавов сухого воздуха, газов, жидкостей, не взаимодействующих с электрическим током, различных нефтепродуктов и расплавленных солей. В результате воздействия  поверхность металла покрывается тонкой оксидной пленкой.

Электрохимическая коррозия — это образование множества мельчайших гальванических элементов (пар) под действием тока, при котором происходят движение электронов металла в электролит и разрушение этого металла.

    Сущность электрохимической коррозии металлов заключается в том, что она протекает в различных жидкостях, проводящих электрический ток. В обычных условиях вода впитывает из атмосферы различные соли с образованием слабых электролитов. Между металлом и электролитами образуется электрическая пара (гальванический элемент).

Методы защиты металлов от коррозии. В практике разработаны различные эффективные методы защиты металлов от коррозии, которые широко применяются в различных отраслях промышленности и строительстве.

Неметаллические покрытия являются наилучшей временной защитой изделий машиностроения от коррозии.

Металлические покрытия также защищают металлы от коррозии. Одним из способов получения многослойных антикоррозионных покрытий является плакирование

Химические покрытия нашли широкое применение в машиностроительной практике. Сущность химических покрытий заключается в образовании на поверхности деталей пленки, состоящей из металла детали и присадочного материала.

В машиностроении применяются следующие  виды химических покрытий: воронение, оксидирование и фосфатирование.

Технологические свойства - эти свойства, которые характеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Технологические свойства определяют при технологических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе, осматривают. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.

Эксплуатационные свойства  - эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость. К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др

Методы выявления дефектов это — определение внешних и внутренних дефектов без разрушения деталей, к которым относятся узлы и изделия в крупногабаритных машинах, соединенных между собой различными видами сварки, паянием, болтовыми и резьбовыми соединениями, клепкой. Широкое применение нашел безобразцовый (внелабораторный) контроль . Этим методом определяется химический состав различных металлов и сплавов, из которых изготовлены изделия, несоответствие которого стандарту может приводить к дефектам в процессе эксплуатации. Дефекты  подразделяются на следующие виды: явные, скрытые, критические, значительные и малозначительные.

Большинство дефектов можно обнаружить неразрушающим методом контроля, которые имеют большие преимущества и более эффективны, они дают экономию конструкционных материалов, быстрое и качественное определение дефектов и рекомендации к их устранению, прогнозирование и своевременное предотвращение аварийных ситуаций и другие преимущества. По ГОСТ 18353—79 физические неразрушающие методы контроля качества изделий и конструкций подразделяются на следующие виды: акустический, вихревой, магнитный, оптический, проникающими веществами, радиоволновой, радиографический, тепловой и электрический. Кроме того, каждый из перечисленных видов контроля подразделяется с учетом взаимодействия изучаемого объекта с физическими полями, воздействующими на эти объекты, их параметрами, а также способами получения информации.

Неразрушающие методы контроля качества деталей и обнаружения в них дефектов проводятся по следующей технологической схеме: помещение исследуемого объекта в контролируемую среду; выявление с помощью приборов дефектов (состава материала, внешних параметров, погрешности форм и размеров и т.д.); преобразование полученных параметров в показатели, удобные для расшифровки и расшифровка полученных данных.