В.Н.КИПРИЯНОВА
КУРС ЛЕКЦИЙ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
КРАСНОДАР
2015
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие………………………………………………………… 3
Основная литература………………………………………………..7
Лекция 1 Строение и свойства чистых металлов………………….7
Лекция 2 Формирование структуры литых металлов…………….18
Лекция 3 Строение и свойства сплавов. Диаграммы состояния
бинарных сплавов……………………………………………………27
Лекция 4 Механические свойства и способы определения их
количественных характеристик……………………………………..39
Лекция 5 Диаграмма состояния железо-углерод………………….. 42
Лекция 6 Углеродистые стали……………………………………….49
Лекция 7 Чугуны………………………………………………….......61
Лекция 8 Термическая обработка-теория термической
обработки …………………………………………………………….72
Лекция 9 Технология термической обработки………………….….80
Лекция 10 Химико-термическая обработка………………………...97
Лекция 11 Легированные стали……………………………………..105
Лекция 12 Инструментальные материалы……………………….....116
Лекция 13 Легированные стали с особыми свойствами…………..124
Лекция 14 Медь и ее сплавы……………………………………...…134
Лекция 15 Материалы с малой плотностью (легкие материалы)…142
Лекция 16 Неметаллические материалы……………………………15
ПРЕДИСЛОВИЕ
Материаловедение – это наука, изучающая строение и свойства материалов и устанавливающая связь между составом, строением и свойствами
Цель изучения данной дисциплины- познание природы и свойств материалов, используемых в различных областях техники.
Знания, полученные при изучении данной дисциплины необходимы вам для успешного изучения других дисциплин, выполнения курсовых и дипломных проектов, а также в практической деятельности инженера.
Имея дело с машинами, аппаратами. станками, нельзя не знать материалов, из которых они изготовлены.
Эффективность любых конструкций- автомашин, самолетов, оборудования пищевой промышленности, машиностроения и т.п. в значительной степени определяются свойствами материалов, из которых они изготовлены.
Революционную роль сыграли полученные новые материалы – проводниковые материалы, жидкие кристаллы в электронике, композиционные материалы в авиации и ракетостроении, аморфные сплавы в радиотехнике и электронике.
Курс Материаловедения состоит из 3-х неравных частей.
1.Теория металлов и сплавов
2.Технические сплавы
3.Неметаллические материалы
Изучив дисциплину Материаловедение, студент должен знать строение и свойства чистых металлов, теоретические вопросы процессов кристаллизации металлов и сплавов, виды взаимодействия компонентов в сплаве, виды диаграмм состояния.
Главная часть курса - Технические сплавы- мы начнем с изучения железоуглеродистых сплавов- сталей и чугунов. Изучим диаграмму состояния железо-углерод, значение которой для материаловедения также велико как периодическая таблица Менделеева для химиков.
В процессе изучения материала мы будем многократно говорить о структуре металлов и ее влиянии на свойства сплавов.
Также мы изучим различные виды термической и химико-термической обработок, легированные стали, сплавы меди, алюминия, титана, магния.
Завершающий раздел курса- неметаллические материалы-пластмассы и резины.
Появление новых материалов вызывало целую революцию в ряде отраслей.
Так более 100 лет тому назад различные резцы для обработки материалов на металлорежущих станках изготавливались из обыкновенной углеродистой стали термически обработанной, но стойкость их была невелика и скорость резания не превышала 5м/мин.
Но вот появились быстрорежущие стали с добавками 8-18 % вольфрама и скорости увеличились до 35 м/мин. Это привело к необходимости замены металлорежущих станков на более быстроходные.
В 1933 году был получен новый инструментальный материал т.н. победит- твердый сплав, скорости резания опять возросли и необходима была полная замена металлорежущих станков.
Большой вклад в развитие науки о металлах –материаловедения- внесли русские ученые П.П. Аносов (1799-1815 гг), он впервые установил связь между строением стали и ее свойствами, впервые применил микроскоп для изучения структуры стали.
Д.К.Чернов (1839-1921гг)- отец металоведения, так называют его в ученом мире- открыл полиморфизм стали, он признан во всем мире – основоположником материаловедения.
Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железо-углеродистых сплавов внесли Ле-Шателье (Франция), Аустен (Англия), Осмонд (Франция) и др.
О той огромной роли, которую играют металлы в нашей жизни, писал еще Георг Агриколла, немецкий мыслитель 16 века- в его трудах о металлургии есть такие строчки-«Человек не может обойтись без металлов… если бы не было металлов люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей»
Не случайно этапы в жизни человечества история назвала по преобладающим в то время металлическим материалам: эпоха меди, бронзовый век, железный век.
Богат и разнообразен мир металлов, удивительны и разнообразны их свойства. Ртуть не замерзает даже на морозе, вольфрам не боится самых жарких объятий пламени, серебро и медь отлично проводят электрический ток, а у висмута или олова это дело явно не клеится. Самый легкий металл-литий, а осмий- самый тяжелый, камнем пойдет ко дну, его плотность в 20 с лишним раз выше, чем у воды. Алюминием богата наша планета, а франций настолько редок, что его содержание в земной коре измеряется буквально граммами.
Трудно даже представить, что произошло, если бы исчезло железо, алюминий, медь.
Первыми свойствами, с которыми познакомились наши предки, были твердость и прочность, пластичность и металлический блеск.
Важнейшее свойство- прочность- способность сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Благодаря этому свойству успешно выдерживают огромные нагрузки и мосты и ж/д составы и самолеты.
Многие узлы современных машин и агрегатов работают в условиях высоких температур и должны обладать такими свойствами как Жаростойкость. При создании жаростойких материалов большая роль принадлежит никелю. Когда одного из металловедов. Занимающихся разработкой большого количества жаростойких сплавов, спросили как это ему удается, он ответил, я просто заменяю в сталях железо на никель.
Важную роль играет ПЛАСТИЧНОСТЬ - способность необратимо изменять свою форму под действием механических нагрузок. На пластической деформации основана обработка металлов давлением. Прокатка, ковка, штамповка, прессование- все эти технологические процессы возможны потому, что медь, алюминий сталь, свинец и др обладают пластичностью.
Важная характеристика металлов – ТВЕРДОСТЬ- способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Чем тверже металл, тем он прочнее. Эталоном твердости служит алмаз.
Основная литература
1. Материаловедение и технология металлов: учеб. для вузов по машиностроит. спец. / [Фетисов Г.П. и др.]; по ред. Г.П. Фетисова. – Изд. 6-е, доп. – М.: Высш. шк., 2008. – 877 с.
2. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник / В.Б.Арзамасов, А.Н.Волчков. – М.:, Академия, 2009.- 448 с.
3. Сильман Г.И. Материаловедение: учеб. пособие для вузов по спец. напр. «Металлургия, машиностроение и материалоперераб.» /. – М.: Академия, 2008.- 335 с.
4. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1990.- 541 с.
5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1990. – 512 с.
Лекция 1
«Строение и свойства чистых металлов»
Почти 3/4 всех существующих в природе элементов являются металлами. Разумеется, не все они находят широкое применение в технике. Некоторые из них встречаются очень редко, они чрезвычайно дороги. Это и редкие - бериллий, ванадий, уран, драгоценные – серебро, золото, платина и др. Многие металлы малопригодны к применению, т.к. обладают большой хрупкостью и твердостью (хром, марганец, сурьма), их используют в качестве добавок к другим металлам.
Металлы, из которых изготавливают детали машин, приборов, называют конструкционными илимашиностроительными.
Все металлы делятся на 2 большие группы:
черные
цветные
Черные имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным представителем является железо.
Цветные имеют характерную окраску – красную, желтую, белую. Они пластичны, обладают малой твердостью, имеют низкую температуру плавления. Типичным представителем является медь.
Черные металлы согласно классификации, предложенной А.П.Гуляевым подразделяются:
Железные металлы – железо, кобальт, никель (ферромагнетики) и близкий к ним марганец
Тугоплавкие, с температурой плавления больше, чем у железа (1539о)
Урановые (актиниды)
Редкоземельные металлы (РЗМ), лантан, церий и др.
Щелочноземельные
Цветные металлы подразделяются:
Легкие металлы – берилий, магний, алюминий, с плотностью меньше 5 г/смз
Благородные – серебро, золото, платина и и др. к ним может быть отнесена и полу благородная медь, обладающие устойчивостью перед коррозией.
Легкоплавкие – цинк, кадмий, ртуть, олово, с температурой плавления меньше 1000о.
Что такое металл?
На этот вопрос М.В. Ломоносов отвечал так: «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно».
Это простейшее определение не потеряло своего значения и сегодня. Металлы можно охарактеризовать такими свойствами:
• высокая теплопроводность;
• электропроводность, которая с понижением температуры повышается, причем некоторые металлы имеют сверхпроводимость;
• пластичность (см. «ковать можно»);
• металлический блеск (см. «суть светлые тела»);
• магнитные свойства;
• постоянная температура кристаллизации.
Все металлы – тела кристаллические
В природе существует два типа построения твердых тел их атомов – тела могут быть кристаллические и аморфные.
Они отличаются по своим свойствам.
Аморфные тела – это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно, хаотически. В отличие от жидкостей они имеют пониженную подвижность частиц.
Примерами аморфных тел могут служить стекло, смолы, воск.
Кристаллические тела – это такие тела, в которых атомы расположены в строго определенном порядке, в строго определенной последовательности.
Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой он переходит в жидкое состояние.
