Введение в материаловедение

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

 

 

по дисциплине: Материаловедение

на тему: Введение в материаловедение

 

 

 

 

 

 

 

Студент                                                                                

64212 (Э)                                                                                              М.Г. Грищеня

                                                 

 

Проверил                                                                                      А.Б. Алхатиб

                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК

2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ГЛАВА 1…………………………………………………………………………...3

Введение. Задачи курса…………………………………………………………...3

Классификация материалов……………………………………………………....3

Содержание элементов в Земной коре…………………………………………..4

Мировой объем производства основных материалов…………………………..4

Структурные методы исследования……………………………………………..5

Типы кристаллических решеток, особенности строения реальных металлических  материалов……………………………………………………….6

ГЛАВА 2…………………………………………………………………………...9

Затвердевание металлических материалов.……………………………………..9

Применение правила фаз……………………………………………..…………11

Факторы, влияющие на процесс кристаллизации. Модифицирование жидкого металла………………………………………………………………………..…..12

Материалы аморфного строения и  их применение………………………..…..13

Полиморфные превращения в металлах……………………………………….15

Жидкие кристаллы………………………………………………………………16

ГЛАВА 3………………………………………………………………………….16

Строение и свойства типовых  двухкомпонентных сплавов………………..…16

Понятие о физико-химическом анализе………………………………………..17

Диаграмма состояния систем с полной растворимостью компонентов  в твердом состоянии…………………………………………….…………………18

Внутрикристаллическая ликвация………………………………………...……19

ГЛАВА 4………………………………………………………………………….19

Диаграммы состояния систем с ограниченной растворимостью компонентов  в твердом состоянии с эвтектическими и перетектическими превращениями…………………………………………………………………..19

Понятие об эвтектоидном и перитектоидном превращениях………………...21

Диаграммы состояния системы, образующей химическое соединение……..23

Механические и технологические  свойства сплавов, связь с типом  диаграмм состояния…………………………………………………………………………23

Понятие о трехкомпонентных системах……………………………………….24

ГЛАВА 5………………………………………………………………………….25

Фазовые превращения в  железоуглеродистых сплавах. Диаграмма  железо-цементит…………………………………………………………………………25 

Фазы и структурные составляющие стали и белых чугунов…………………26

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….30

 

ГЛАВА 1.

 

Введение. Задачи курса.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие, свойства. 

Цель настоящей дисциплины - изучение закономерностей формирования структуры  и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования  в технике. 

Основная задача дисциплины - установить зависимость между составом, строением  и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и  другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

 

Классификация материалов.

Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные  критерии - прочность, долговечность, коррозийные  свойства и т.п.) и возможностью переработки  в изделие (технологические критерии - коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки , волокна и т.п.. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято  классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии  принадлежат стали, чугуны, ферросплавы  и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат  важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и  сплавы на их основе. К металлическим  материалам относятся и материалы  порошковой металлургии. Неметаллические  материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы.

Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления. Более подробно классификация материалов будет изложена ниже в разделах лекционного курса.

Технические материалы принято  классифицировать по назначению: материалы  приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения.

Стоимость технического материала  связана с затратами на его  производство и уровнем запасов  его в промышленном и государственном  резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых  для его производства. Поэтому  так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации  машиностроительных материалов применяют  параметры удельной прочности и  энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

 

Содержание  элементов в Земной коре.

Исторически для Техники наиболее важными были металлы и сплавы, в первую очередь стали и чугуны, медь. 

Содержание металлов и элементов  в Земной коре следующие: 
Медь Сu = 0.01 %, Серебро =4*10-6 %, Олово =6*10-4%, Титан =0.58 %, Магний =1.94 %, Золото =5*10-7%, Бериллий = 5*10-4%, Цинк = 2*10-2 %, Железо =4.7 %, Алюминий =7.5 %, Кремний =25.7 %, Свинец =8*10-4 %, Хром =3.3*10-2 %, Никель = 1.8*10-2 %.

Анализ приведенных данных показывает, что наиболее перспективным элементом  для использования в технике  является Алюминий, это совпадает  с общемировой тенденцией машиностроения. Усилия разработчиков новых материалов направлены на создание материалов на основе тугоплавких соединений: нитридов и боридов в кристаллической и аморфной формах, пригодных для применения. Наибольшее распространение в авиационной, космической и специальной технике приобретает нитрид кремния (SiN).

Так как материальные ресурсы Земли  ограничены, это находит свое отражение  в формировании цен, перед машиностроением  всегда стоит задача расширения сырьевой базы и сокращения затрат материалов на единицу техники.

 

Мировой объем  производства основных материалов.

Элементы, преимущественно металлические, находятся в Земной коре в виде окислов, нитридов, гидридов и гидратов, хлоридов и т.п., для превращения  минерального сырья в полуфабрикаты  необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна, что положительно сказывается на их относительной стоимости. Мировой объем производства основных материалов следующий: стали = 700 мл. тон, конструкционного чугуна = 46 мл.тонн, пластических масс = 100 мл. тон., конструкционных стекла и керамики = 180 мл.тон.

Отметим, что плотность пластмасс  в 2-3 раза ниже, чем металлов, и в  объемных процентах пластмасс выпускается  в 2 раза больше других материалов. Отличительной  особенностью современного машиностроения является расширение номенклатуры применяемых  материалов. Среди металлических  материалов мировой объем производства следующий: Алюминий = 12.2, Медь = 7.3, Цинк = 4.68, Свинец = 3.77, Никель = 0.52 (мл.тонн.). Наибольшие темпы роста производства у композиционных и порошковых материалов.

 

Структурные методы исследования.

Материаловедение, как научная  дисциплина, числено оперирует показателями свойств материала (временное сопротивление  разрушению, прочность на сжатие, твердость  и т.п.).

Кроме того, материаловедение обобщает в себе данные о технических и  технологических испытаниях материалов. Показатели свойств, химический состав в материаловедении связываются  с особенностями строения материала. Различают макростроение, микростроение  и субмикростроение материалов. Первая структура выявляется визуально, вторая - при увеличении, достигаемым оптическими системами, третья - с помощью рентгеновских и электронных лучей. Знания о морфологии структуры позволяет оптимизировать технологические процессы получения материала, дать объективное представление о рациональности его использования для изделия.

К структурным методам исследования принадлежат: макроанализ – изучение структуры материалов визуально или с помощью простейших оптических приборов с увеличением до 50 крат. Наиболее доступным при этом является изучение изломов. Для металлов и сплавов мелкокристаллический излом соответствует лучшему качеству – более высоким механическим свойствам.

На изломах, например, в сталях легко  наблюдаются дефекты: крупное зерно, шиферность. грубая волокнистость, трещины, раковины, флокены и т.п., и в ряде случаев глубина проведенной поверхностной обработки изделия. Методика исследования закрепляется ГОСТ, там же приведены фотоэталоны изломов и макродефектов.

Другим способом макроисследования является изучение строения металлических материалов на специальных темплетах (образцах). После травления специальными растворами шлифованной поверхности темплета на ней выявляется кристаллическая структура, волокнистость, дендритное строение, неоднородность металла. Например, травление поперечного среза сварного шва дает возможность выявить места непровара, пузыри, зону термического влияния, трещины и т.п.

Микроскопический анализ: производится с помощью оптических микроскопов (полезное увеличение до 950 крат), электронных  микроскопов (увеличение до мл. раз), электронных проекторов (увеличение - несколько мл. раз). Исследование производится на зеркальной поверхности шлифа (после соответствующей полировки) или слепка с нее - на электронном микроскопе. Шлифы исследуют до и после травления. Травление металлической поверхности растворами кислот выявляет рельеф границ кристаллов, контуры отдельных элементов структуры.

Данные исследований - размер и  форма зерен получают количественную и качественную оценку. В настоящее  время металлографические комплексы  снабжаются компьютерными системами  для обработки и хранения информации.

Физические методы исследования структуры: Среди них особое место занимают методы радиографии и рентгеновского анализа. Путем просвечивания осуществляется дефектоскопия и контроль ориентации арматуры в композитах. Параметры  кристаллических решеток определяются с помощью рентгеновского структурного анализа, основой которого служит соотношение  Вульфа-Брегга:

2*d*sinΨ=η*λ

d-межплосткостное расстояние (параметр решетки), 
Ψ-угол падения луча на кристаллографическую плоскость, 
η-простое число (1, 2, 3, 4 ......), 
λ-длина волны рентгеновских лучей.

 

Рентгеновский анализ так же определяет качественный и количественный состав сплавов, физическую плотность кристаллов, особенности субструктуры, плотность линейных дефектов в реальном кристалле, позволяет проследить полиморфные превращения в сталях и сплавах и обнаружить глубокие физико-химические процессы в металлах.

 

Типы кристаллических  решеток, особенности строения реальных металлических материалов.

В большинстве случаев техника  использует кристаллические материалы. Субструктура материала - кристаллическое  строение наряду с химическим составом определяет все свойства. В реальных металлах кристаллы выпадают из расплавов  при охлаждении и создаются физико-химическими  процессами при нагреве твердого тела.