Материаловедение Программа подготовки бакалавров по направлению «Дизайн» Никитин И.В.. Доцент кафедры высшей математики и естественнонаучных дисциплин. - презентация

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

3 ВВЕДЕНИЕ 3

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

5 В.1. Предмет и задачи материаловедения 5

6 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

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

8 ТЕМА 1. Свойства материалов 8

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

10 1.1. Основные свойства материалов 10

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

12 1.2. Классификация конструкционных материалов 12

13 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ; НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ; КОМПОЗИЦИОННЫЕ; НАНОМАТЕРИАЛЫ Классификация конструкционных материалов

14 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ: ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ; ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ Классификация конструкционных материалов

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

16 1.3. Основные механические свойства конструкционных материалов 16

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

18 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

19 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

20 Релаксация – самопроизвольное уменьшение внутренних напряжений Основные механические свойства конструкционных материалов

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

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

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

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

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

26 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

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

28 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

29 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

30 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

31 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

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

33 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

34 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

35 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

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

37 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

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

39 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

40 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

41 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

42 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

43 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

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

45 ТЕМА 2. Металлы и сплавы 45

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

47 2.1. Строение и свойства чистых металлов 47

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

49 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

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

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

52 ВАКАНСИЯ МЕЖУЗЕЛЬНЫЙ АТОМ Строение и свойства чистых металлов

53 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

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

55 2.2. Понятие металлического сплава 55

56 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

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

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

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

60 2.3. Простейшие сплавы на основе железа 60

61 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

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

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

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

65 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.

66 2.4. Закалка и отпуск стали 66

67 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

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

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

70 70