Материаловеденье

Основы материаловедения

Введение

Вся история человечества связана с развитием материалов. Именно материалы дали названия целым эпохам: каменный век, бронзовый век, железный век.

На ранней стадии развития человечества использовались при­родные материалы- дерево, кость, камень. Особое место занял ка­мень, из которого изготовлялись орудия труда — каменные топоры, каменные ножи. Следует отметить, что именно с помощью камня около 500 000 лет назад люди стали добывать огонь. Использование огня для обжига глины при изготовлении предметов домашней ут­вари породило начало керамической технологии.

Следующим этапом развития было применение металлов. Естест­венно, что в первую очередь применялись металлы, которые встреча­ются в природе в чистом, самородном виде. Прежде всего это медь, начало ее применения относят к седьмому тысячелетию до нашей эры. Следующим этапом было использование сплавов. В четвертом тысячелетии до нашей эры преобладают уже металлические инстру­менты из бронзы — сплава меди с другими металлами, в первую оче­редь с оловом, имеющие лучшие свойства, чем из чистой меди. Это означает, что в историю техники вступила технология металлургии.

Важнейшим этапом развития стало использование железа и его сплавов. Освоение железа вначале часто связывали с открытием ме­теоритного железа. Однако его редкость не позволила бы использо­вать железо в больших количествах. По-видимому, переход к железу был обусловлен истощением запасов меди. Первые центры по пере­работке железа обнаружены в Азии. Ремесленная переработка дала человечеству ряд сплавов железа, т. е. сталей с особенными свойст­вами (дамасская сталь, булат). Сплавы на основе железа и в настоя­щее время являются основным конструкционным материалом. Промышленные методы производства стали (мартеновский, тома-совский, конвертерный) явились важнейшим этапом развития тех­ники, они легли в основу промышленной революции XVIII - XIX вв.

Значение материаловедения как науки весьма велико и в на­стоящее время. Материаловедение - одна из важнейших, приори­тетных наук, определяющих технический прогресс.

Современной промышленности требуются материалы с самыми различными свойствами. Для атомной энергетики и космической техники необходимы материалы, которые могут работать как при весьма высоких, так и при очень низких температурах. Компьютер­ные технологии стали возможными только при использовании ма­териалов с особыми электрическими свойствами. Вместе с тем час­то особые свойства материалов позволяют решать уникальные технические задачи, которые даже и не ставились до тех пор, пока этих материалов не было.

В настоящее время в технике используют весьма широкий спектр материалов: металлических, неметаллических, композици­онных, обладающих самыми разнообразными механическими, физическими, химическими свойствами.

Материаловедение — наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностям их изменений при внешних физико-химических воздействиях.

Все материалы по химической основе делятся на две основные группы:

      Металлические;

      Неметаллические.

К металлическим относятся металлы и их сплавы. Метал­лы составляют около 4/5 всех известных химических эле­ментов.

В свою очередь металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе - стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низки­ми механическими свойствами по сравнению со сплава­ми и поэтому их применение ограничивается теми слу­чаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).

Практическое значение различных металлов не одина­ково. Наибольшее применение в технике приобрели чер­ные металлы. На основе железа изготавливают более 90 % всей металлопродукции. Однако цветные металлы обла­дают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, Медь, магний, титан и др.

Кроме металлических, в промышленности значитель­ное место занимают различные неметаллические матери­алы — пластмассы, керамика, резина и др. Их производ­ство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности в качестве конструкционных материалов относительно невелико (около 10 %) и предсказание того, что неметал­лические материалы существенно потеснят металличес­кие, не оправдалось.

Материаловедение является поистине интернациональной наукой, ее теоретические основы были заложены трудами ученых разных стран. Среди них необходимо выделить американца Джозайи Уилларда Гиббса (1839 - 1903 гг.) - основоположника физической химии.

Д.К. Чернов (1839- 1921 гг.) открыл в 1868 г. критические точки в сталях, заложив тем самым научные основы термической обработки.

Значительный вклад в развитие материаловедения внесли русские ученые П.П. Аносов (1799 - 1851 гг.) и Д.И. Менделеев (1834 - 1907 гг.), англичанин Роберт Аустен (1843 - 1902 гг.), немец А. Мартене (1850 -1914гг.).

XX век ознаменовался крупными достижениями в теории и практи­ке материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для дета­лей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техни­ки, открыты и использованы свойства полупроводников. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой. Огромное значение для развития отечественно­го материаловедения в наше время имели работы А.А. Бочвара, Г.В. Кур- дюмова, В.Д. Садовского и В.А. Каргина.

Условия работы современных машин и приборов выдвигают требова-1 ния прочности и стойкости материалов в широком интервале температур - от — 269°С у сжиженного гелия до 1000°С и выше при динамических: нагрузках, в вакууме и в горячих потоках активных газов. Решение важ­нейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов, уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.

Основы металловедения

         Свойства материалов. Показатели свойств

Свойство - это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими матери­алами.

Выделяют три основные группы свойств:

      эксплуатационные,

      техно­логические,

      стоимостные,

которые лежат в основе выбора материала, определяют техническую и экономическую целесообразность его примене­ния. Первостепенное значение имеют эксплуатационные свойства.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые опре­деляют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов, их силовые, скоростные, стойкостные и другие технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и из­делий обеспечивает уровень механических свойств. Механические свой­ства характеризуют поведение материала под действием внешней нагруз­ки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообраз­ны, то механические свойства включают большую группу показателей.

Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию хи­мически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющим становятся физико-химические свойства материала - жаростойкость и коррозионная стойкость.

Жаростойкость характеризует способность материала противосто­ять химической коррозии, развивающейся в атмосфере сухих газов при повышенной и высокой температуре. У металлов нагрев сопровождается образованием на поверхности оксидного слоя (окалины). Количественны­ми показателями жаростойкости являются:

      скорость окисления, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м2 • ч)) или скорость роста толщины оксидной пленки на его поверхности (в мкм/ч);

      допустимая рабочая температура металла, при которой скорость его окисления не превышает заданного значения.

Коррозионная стойкость - это способность металла противостоять электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности. Количественными показателями коррозионной стойкости являются:

      скорость электрохимической коррозии, оценивающая интенсивность изменения массы металла (в г/(м2 • ч)) или линейных размеров образца (в мкм/ч);

      степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.

Для некоторых деталей машин и изделий важное значение имеют фи­зические свойства, характеризующие поведение материалов в магнитных, электрических и тепловых полях, а также под воздействием потоков вы­сокой энергии или радиации. Их принято подразделять на магнитные, электрические, теплофизические и радиационные.

Среди технологических свойств главное место занимает технологичность материала - его пригодность для изготовления деталей машин, приборов и инструментов требуемого качества при минимальных трудо­вых затратах. Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее за­висят производительность и качество изготовления деталей.

Наконец, к последней группе основных свойств относится стоимость материала, которая оценивает экономичность его использования.   Ее ко­личественным показателем является оптовая цена - стоимость единицы массы материала в виде заготовок, проката, слитков, порошка, по которой завод-изготовитель реализует свою продукцию машиностроительным предприятиям.

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют сопротивление материала де­формации, разрушению или особенность его поведения в процессе разру­шения.   Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости.  Основную группу таких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стан­дартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели меха­нических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, кото­рые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами кон­кретного изделия и оценивают работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Механические свойства, определяемые при статических нагрузках

Статические испытания предусматривают медленное и плавное на­растание нагрузки, прилагаемой к испытываемому образцу. По способу приложения нагрузок различают статические испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг или срез. Наиболее распространены испы­тания на растяжение (ГОСТ 1497-84), которые дают возможность опре­делить несколько важных показателей механических свойств.

Принято разделять пластичные и хрупкие материалы. Основное отличие состоит в том, что первые деформируются в процессе испытаний с образованием пластических деформаций, а вторые практически без них вплоть до своего разрушения. За критерий для условной классификации материалов можно принять относительное остаточное удлинение δ = (lк − l0)/l0, где l0 и lк — начальная и конечная длина рабочей части образца), обычно вычисляемое в процентах. В соответсвии с величиной остаточного удлинения материалы можно разделить на:

        пластичные (δ ≥ 10 %);

        малопластичные (5 % > δ > 10 %);

        хрупкие (δ ≤ 5 %).

Существующие материалы могут быть изотропными или анизотропными. В последнем случае из-за различия характеристик в различных направлениях необходимо произвести не одно, а несколько испытаний.

Методы механических испытаний

Статические испытания на растяжение. Этими испы­таниями определяют пределы пропорциональности, уп­ругости, прочности и пластичность металлов. Для таких испытаний изготовляют плоские и круглые образцы (рис. 1.1, а,б), форма и размеры которых установлены ГОСТом, Цилиндрические образцы диаметром d0 = 10 мм, имею­щие расчетную длину l 0 = 10d0, называют нормальными, а образцы, у которых длина l0 = 5d0 - короткими. При ис­пытании на растяжение образец растягивается под дей­ствием плавно возрастающей нагрузки и доводится до разрушения.

Разрывные машины снабжены специальным самопи­шущим прибором, который автоматически вычерчивает кривую деформации, называемую диаграммой растяже­ния. На рис. 1.1, в. показана типичная диаграмма растя­жения в координатах: нагрузка Р — удлинение ∆l. Эта диаграмма может быть преобразована в диаграмму: на­пряжение у — относительная деформация е, т. к. напря­жение — это величина нагрузки Р, отнесенная к площади F0 поперечного сечения образца : у = Р/F0, а относитель­ная деформация при растяжении — отношение удлинения к начальной длине образца: е = ∆l/l(). Диаграмма отражает характерные участки и точки, позволяющие определить ряд свойств металлов и сплавов. На участке О-Рпц удлинение образца увеличивается прямо пропорционально возрастанию нагрузки. При повышении нагрузки свыше Рпц на участке Рпц - Руп прямая пропорциональность на­рушается, но деформация остается упругой (обратимой). На участке выше точки Руп возникают заметные оста­точные деформации и кривая растяжения значительно отклоняется от прямой. При нагрузке Рт, появляется го­ризонтальный участок диаграммы — площадка текучес­ти Т-Т1. Такая площадка наблюдается главным образом у деталей из низкоуглеродистой стали. На кривых растя­жения хрупких металлов площадка текучести отсутству­ет. Выше точки Рт нагрузка возрастает до точки А, со­ответствующей максимальной нагрузке Рв , после которой начинается ее падение, связанное с образованием шейки и разрушением образца. После образования шейки про­исходит падение нагрузки до точки В, образец удлиняется и происходит его разрушение. С образованием шейки разрушаются только пластичные металлы.