Материаловедение Программа подготовки бакалавров по направлению «Дизайн» Никитин И.В.. Доцент кафедры высшей математики и естественнонаучных дисциплин Кандидат технических наук, доцент Кафедра Экономики и управления

2 ТЕМЫ ДИСЦИПЛИНЫ Введение. Тема 1. Свойства материалов. Тема 2. Металлы и сплавы.

ВВЕДЕНИЕ 3

Учебные вопросы В.1. Предмет и задачи материаловедения. В.2. Место материаловедения в системе естественных наук. 4

В.1. Предмет и задачи материаловедения 5

Материаловедение – наука, изучающая материалы, связь между их составом, структурой и свойствами, а также закономерности их изменения при различных воздействиях.. 6 В.1. Предмет и задачи материаловедения

Задачи материаловедения – изучение строения и свойств материалов и их совместного поведения в конструкциях и изделиях. 7 В.1. Предмет и задачи материаловедения

ТЕМА 1. Свойства материалов 8

Учебные вопросы 1.1. Общие свойства материалов Классификация конструкционных материалов Основные механические свойства конструкционных материалов. 9

1.1. Основные свойства материалов 10

ФИЗИЧЕСКИЕ; ХИМИЧЕСКИЕ; МЕХАНИЧЕСКИЕ; ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ; СПЕЦИАЛЬНЫЕ Общие свойства материалов

1.2. Классификация конструкционных материалов 12

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ; НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ; КОМПОЗИЦИОННЫЕ; НАНОМАТЕРИАЛЫ Классификация конструкционных материалов

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ: ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ; ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Классификация конструкционных материалов

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ: ЛЁГКИЕ; ЛЕГКОПЛАВКИЕ; ТУГОПЛАВКИЕ; БЛАГОРОДНЫЕ; УРАНОВЫЕ; РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ; ЩЕЛОЧНО-ЗЕМЕЛЬНЫЕ Классификация конструкционных материалов

1.3. Основные механические свойства конструкционных материалов 16

Механические свойства – параметры, характеризующие поведение материалов под действием механических нагрузок.. Механические характеристики – численные выражения механических свойств Основные механические свойства конструкционных материалов

Напряжение – приложенная нагрузка, отнесённая к единице площади сечения. истинное S = P / F; условное = P / F 0 ; нормальное = R / F 1 ; касательное (скалывающее) = Q / F Основные механические свойства конструкционных материалов

НАПРЯЖЕНИЯ временные – действующие только при наличии внешней нагрузки и исчезающие при её снятии; внутренние – возникающие и уравновешивающиеся внутри тела без приложения нагрузки Основные механические свойства конструкционных материалов

Релаксация – самопроизвольное уменьшение внутренних напряжений Основные механические свойства конструкционных материалов

ДЕФОРМАЦИИ упругие – исчезающие после удаления нагрузки; остаточные – остающиеся после удаления нагрузки Основные механические свойства конструкционных материалов

ДИАГРАММА РАСТЯЖЕНИЯ 0-1 – упругая деформация; 1-3 – пластическая деформация Основные механические свойства конструкционных материалов

Упругость – свойство материала внутренними силами восстанавливать первоначальную форму, искажённую внешним воздействием, после прекращения этого воздействия Основные механические свойства конструкционных материалов

ЗАКОН ГУКА = Е – напряжение; – деформация; Е – модуль нормальной упругости (модуль Юнга) Основные механические свойства конструкционных материалов

Жёсткость – свойство материала сопротивляться упругим деформациям. Теоретическая прочность – напряжение, при котором металл деформируется только упруго без проявления пластичности Основные механические свойства конструкционных материалов

Пластическая деформация – остаточное изменение формы или размеров нагруженного тела, не сопровождающееся нарушением сплошности. Пластичность – свойство материала претерпевать большую пластическую деформацию без разрушения Основные механические свойства конструкционных материалов

Разрушение – разделение материала на части, связанное с образованием и распространением трещин под действием напряжений. Надёжность – свойство материала сопротивляться разрушению Основные механические свойства конструкционных материалов

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ 1)по характеру силового воздействия – кратковременное однократное статическое, длительное однократное статическое, усталостное разрушение; 2)по ориентации макроскопической поверхности разрушения – отрыв, срез; Основные механические свойства конструкционных материалов

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ 3)по структурному расположению поверхности разрушения – внутризёренное (транскристаллитное); межзерённое (интеркристаллитное); смешанное; 4)по пластической деформации, предшествующей разрушению – хрупкое, пластично-вязкое Основные механические свойства конструкционных материалов

ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ 1)предел упругости 0,05 – условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций, равных 0,05 % от первоначальной длины образца ; 2)предел пропорциональности ПП – напряжение, при котором нарушается линейная зависимость между нагрузкой и удлинением Основные механические свойства конструкционных материалов

ВИДЫ РАЗРУШЕНИЯ 3)предел текучести (физический) Т – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки ; 4)временное сопротивление разрыву (предел прочности) В – условное напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению образца Основные механические свойства конструкционных материалов

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЛАСТИЧНОСТИ 1)относительное удлинение ; 2)относительное сужение Основные механические свойства конструкционных материалов

Динамическое нагружение – нагружение, при котором нагрузка прилагается с большой скоростью, ударом. Усталость – постепенное накопление повреждений металла под действием повторно-переменных напряжений Основные механические свойства конструкционных материалов

Выносливость – свойство металла противостоять усталости. Циклическая долговечность – число циклов нагружений до образования усталостной трещины определённой длины или до усталостного разрушения Основные механические свойства конструкционных материалов

Предел выносливости – максимальное по абсолютной величине напряжение цикла, под действием которого не происходит усталостного разрушения после неограниченно большого количества циклов. Предел ограниченной выносливости – наибольшее значение максимального по абсолютной величине напряжения цикла, под действием которого не происходит разрушение материала после заданного числа циклов нагружений Основные механические свойства конструкционных материалов

МЕХАНИЗМ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ 1)зарождение трещин; 2)медленное подрастание микротрещин; 3)ускоренный нестабильный рост трещин Основные механические свойства конструкционных материалов

Твёрдость – свойство материала сопротивляться внедрению в него другого более твёрдого тела. Методы измерения твёрдости: 1)Бринеля; 2)Роквелла; 3)Виккерса Основные механические свойства конструкционных материалов

Твёрдость по Бринеллю, НВ – отношение приложенной нагрузки Р к площади F поверхности сферического отпечатка Основные механические свойства конструкционных материалов

Твёрдость по Роквеллу, НR разница между условной глубиной внедрения h 0 и глубиной проникновения h 1 под действием дополнительной нагрузки P 1 (после снятия этой нагрузки), при сохранении предварительной нагрузки Р Основные механические свойства конструкционных материалов

Твёрдость по Виккерсу, HV – отношение испытательной нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка в виде правильной четырёхгранной пирамиды с квадратной основой Основные механические свойства конструкционных материалов

Жаропрочность – свойство материала сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок при высоких температурах. Ползучесть – свойство медленно деформироваться под влиянием даже небольшой постоянной нагрузки (низкотемпературная – t T ПЛ ) Основные механические свойства конструкционных материалов

Условный предел ползучести – напряжение, которое при данной температуре за установленное время испытания вызывает заданное удлинение образца. Предел длительной прочности – напряжение, вызывающее разрушение материала через заданное время при постоянной температуре Основные механические свойства конструкционных материалов

Термическая усталость – разрушение, вызываемое термическими напряжениями, возникающими вследствие периодических изменений температуры. Термическая стойкость – свойство материала сопротивляться разрушению от термической усталости Основные механические свойства конструкционных материалов

Хладноломкость – резкое уменьшение ударной вязкости с понижением температуры. Порог хладноломкости – температурный интервал, в котором изменяется характер разрушения Основные механические свойства конструкционных материалов

ТЕМА 2. Металлы и сплавы 45

Учебные вопросы 2.1. Строение и свойства чистых металлов Простейшие сплавы на основе железа Углеродистые стали и чугуны Закалка и отпуск стали. 46

2.1. Строение и свойства чистых металлов 47

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК а) – ОБЪЁМНОЦЕНТРИРОВАННАЯ; б) – ГРАНЕЦЕНТРИРОВАННАЯ; в) – ГЕКСАГОНАЛЬНАЯ Строение и свойства чистых металлов

Текстура – преимущественная ориентация кристаллов в поликристаллических материалах, обеспечивающая анизотропию свойств. Полиморфизм – свойство металлов образовывать различные кристаллические структуры при изменении внешних условий с сохранением химического состава Строение и свойства чистых металлов

ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ РЕШЁТОК ТОЧЕЧНЫЕ; ЛИНЕЙНЫЕ; ПОВЕРХНОСТНЫЕ; ОБЪЁМНЫЕ Строение и свойства чистых металлов

ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ ВАКАНСИИ; МЕЖУЗЕЛЬНЫЕ АТОМЫ; ПРИМЕСНЫЕ АТОМЫ ВНЕДРЕНИЯ, ЗАМЕЩЕНИЯ И ИХ КОМПЛЕКСЫ Строение и свойства чистых металлов

ВАКАНСИЯ МЕЖУЗЕЛЬНЫЙ АТОМ Строение и свойства чистых металлов

ЛИНЕЙНЫЕ ДЕФЕКТЫ Дислокации – дефекты, движение которых вызывает пластическую деформацию кристаллов при напряжениях, существенно меньших теоретической прочности на сдвиг. краевые; винтовые; смешанные Строение и свойства чистых металлов

СДВИГ В КРИСТАЛЛЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ДИСЛОКАЦИИ а) – краевой; б) – винтовой; в) – смешанной Строение и свойства чистых металлов

2.2. Понятие металлического сплава 55

Сплав – сложное вещество, состоящее из двух или нескольких простых веществ-компонентов. Металлический сплав – сплав, основой которого являются металлические компоненты, и обладающий металлическими свойствами Понятие металлического сплава

ФАЗЫ СПЛАВОВ жидкие и твёрдые растворы; химические соединения Строение и свойства чистых металлов

ТВЁРДЫЕ РАСТВОРЫ 1)ЗАМЕЩЕНИЯ: ОГРАНИЧЕННЫЕ; НЕОГРАНИЧЕННЫЕ; 2)ВНЕДРЕНИЯ Строение и свойства чистых металлов

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ 1)ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ; 2)ФАЗЫ ВНЕДРЕНИЯ; 3)ЭЛЕКТРОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ Строение и свойства чистых металлов

2.3. Простейшие сплавы на основе железа 60

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЕ СПЛАВЫ Fe-C 1)ТЕХНИЧЕСКОЕ ЖЕЛЕЗО (до 0,09 % С); 2)СТАЛИ (0,03-2,14 % С); 3)ЧУГУНЫ (более 2,14 % С) Простейшие сплавы на основе железа

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ 1)ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА; 2)КАЧЕСТВЕННЫЕ Простейшие сплавы на основе железа

ГРАФИТИЗИРОВАННЫЕ ЧУГУНЫ 1)БЕЛЫЕ; 2)СЕРЫЕ (СЧ); 3)ВЫСОКОПРОЧНЫЕ (ВЧШГ, ЧВГ); 4)КОВКИЕ (КЧ) Простейшие сплавы на основе железа

Легирующие элементы – элементы, специально вводимые в стали и чугуны для повышения их свойств Простейшие сплавы на основе железа

Обозначение легирующих элементов сталей: Простейшие сплавы на основе железа А – азот;К – кобальт;Т – титан; Б – ниобий;Н – никель;Ф – ванадий; В –вольфрам;М – молибден;Х – хром; Г – марганец;П – фосфор;Ц – цирконий; Д – медь;Р – бор;Ч – редкоземельные; Е – селен;С – кремний;Ю – алюминий.

2.4. Закалка и отпуск стали 66

ОХЛАЖДАЮЩИЕ СРЕДЫ 1)ВОДА И ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ; 2)МАСЛА; 3)РАСПЛАВЫ СОЛЕЙ И ЩЕЛОЧЕЙ; 4)ВОДОВОЗДУШНЫЕ СМЕСИ; 5)РАСПЛАВЛЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ; 6)СИНТЕТИЧЕСКИЕ ЗАКАЛОЧНЫЕ СРЕДЫ; 7)БЫСТРОДВИЖУЩИЕСЯ ПОТОКИ ОХЛАЖДАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ Закалка и отпуск стали

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ ЗАКАЛКИ 1)ПРЕРЫВИСТАЯ ЗАКАЛКА (В ДВУХ СРЕДАХ); 2)ЗАКАЛКА САМООТПУСКОМ; 3)СТУПЕНЧАТАЯ ЗАКАЛКА; 4)ИЗОТЕРМИЧЕСКАЯ ЗАКАЛКА Закалка и отпуск стали

ОТПУСК 1)НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ (НИЗКИЙ); 2)СРЕДНЕТЕМПЕРАТУРНЫЙ (СРЕДНИЙ); 3)ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ (ВЫСОКИЙ). Отличные всех Отличные ИСКУССТВО ПРЕЗЕНТАЦИИ для всехИСКУССТВО ПРЕЗЕНТАЦИИ Закалка и отпуск стали

70