Общие требования, предъявляемые к материалам в зависимости от условий использования, применения или эксплуатации
В.Н. Колосов,
ведущий научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья
им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН,
доктор технических наук, старший научный сотрудник
В.И. Иваненко,
доцент кафедры химических технологий и строительного материаловедения
Апатитского филиала Мурманского государственного технического университета, кандидат химических наук, доцент
Маслобоева С.М.
Материаловедение. Часть I: Основные понятия о строении, структуре и свойствах материалов: учеб. пособие. – Апатиты: Изд. Кольского филиала ПетрГУ, 2009. – 103 с.
Учебное пособие содержит курс лекций по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов», читаемый студентам Кольского филиала Петрозаводского государственного университета. В части I пособия изложены основные понятия о строении, структуре и свойствах материалов. Приведена систематизация веществ по их агрегатным состояниям в нормальных (по температуре и давлению) условиях, позволяющая внутри каждой группы (твердое, жидкое или газообразное вещество) учесть вид образующих его частиц, состав, физическую природу, строение и структуру, а также происхождение. Показана связь между свойствами веществ и их строением. Рассмотрены способы воздействия на свойства веществ и материалов.
Издание подготовлено в соответствии с государственными образовательными стандартами и предназначено для студентов очной и заочной форм обучения техническим специальностям: 130401 «Физические процессы (горного или нефтегазового) производств, 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 140402 «Теплофизика», 140201 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», 210301 «Радиофизика и электроника». Учебное пособие может быть полезно аспирантам и инженерам.
Табл.− 6, ил. − 69, библиогр. − 15 назв.
УДК 622:620.2
ББК 30.3
Ó С.М. Маслобоева, 2009
Ó Кольский филиал Петрозаводского
государственного университета, 2009
ОГЛАВЛЕНИе
Введение.. 5
Глава 1. МЕТАЛЛЫ... 10
1.1. Особенности атомно-кристаллического строения металлов. 11
1.2. Понятие об изотропии и анизотропии. 12
1.3. Аллотропия, или полиморфные превращения. 14
1.4. Магнитные превращения. 14
1.5. Строение реальных металлов. Дефекты кристаллического строения. 14
1.6. Кристаллизации металлов. 19
1.6.1. Механизм и закономерности кристаллизации металлов. 20
1.6.2. Условия получения мелкозернистой структуры.. 22
1.6.3. Строение металлического слитка. 23
1.7. Методы исследования металлов. 25
1.7.1. Определение химического состава. 25
1.7.2. Изучение структуры.. 26
1.7.3. Физические методы исследования. 26
Глава 2. металлические сплавы... 28
2.1. Особенности строения, кристаллизации и свойств сплавов. 28
2.2. Классификация сплавов твердых растворов. 29
2.3. Кристаллизация сплавов. 30
2.4. Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов. 31
2.4.1. Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии (сплавы твердые растворы с неограниченной растворимостью) 33
2.4.2. Диаграмма состояния сплавов с отсутствием растворимости компонентов в твердом состоянии (механические смеси) 35
2.4.3. Диаграммы состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с эвтектическим превращением.. 36
2.4.4. Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии с перитектическим превращением.. 37
2.4.5. Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых образуют химические соединения. 38
2.4.6. Диаграмма состояния сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии (переменная растворимость) 38
2.4.7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфным превращением одного из компонентов. 39
2.4.8. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением 40
2.4.9. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния. 40
Глава 3. структура неметаллических материалов.. 42
3.1. Строение полимеров. 42
3.1.1. Классификации полимеров. 42
3.1.2. Надмолекулярная структура полимеров. 46
3.1.2.1. Структура аморфных полимеров. 46
3.1.2.2. Структура кристаллических полимеров. 47
3.1.3. Физические состояния аморфного полимера. 49
3.1.4. Гибкость макромолекул. 50
3.2. Строение стекла. 53
3.3. Строение керамики. 54
Глава 4. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ.. 55
4.1. Физические свойства. 55
4.2. Механические свойства. 60
4.2.1. Физическая природа деформации металлов. 60
4.2.2. Дислокационный механизм пластической деформации. 63
4.2.3. Разрушение металлов. 64
4.2.4. Механические свойства, определяемые при статических нагрузках. 64
4.2.4.1. Испытания на растяжение. 65
4.2.4.2. Испытания на изгиб. 66
4.2.4.3. Испытания на твердость. 67
4.2.5. Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках. 68
4.2.6. Механические свойства, определяемые при переменных (циклических) нагрузках. 70
4.3. Электрические свойства. 73
4.3.1. Общие сведения. 73
4.3.2. Основные характеристики диэлектрических материалов. 73
4.4. Магнитные свойства. 76
4.4.1. Общие сведения. 76
4.4.2. Основные магнитные характеристики материалов. 78
4.5. Технологические свойства. 81
4.6. Эксплуатационные свойства. 81
4.7. Свойства веществ и материалов в основных физико-химических процессах. 82
4.7.1. Старение. 82
4.7.2. Изнашивание. 83
4.7.3. Диффузия. 85
4.7.4. Коррозия. 86
4.8. Способы воздействия на свойства веществ и материалов. 88
4.8.1. Механическая обработка. 88
4.8.1.1. Общие сведения. 88
4.8.1.2. Деформация поликристаллов. 89
4.8.1.3. Деформация полимеров. 91
4.8.1.4. Деформация аморфных сплавов. 92
4.8.2. Термическая обработка. 93
4.8.2.1. Отжиг. 94
4.8.2.2. Закалка. 96
4.8.2.3. Отпуск и искусственное старение. 97
4.8.3. Термомеханическая обработка. 98
4.8.3.1. Тепломеханическая обработка металлов и сплавов. 98
4.8.3.2. Термомеханическая обработка аморфных сплавов. 99
4.8.4. Химико-термическая обработка. 100
Список использованных источников.. 102
Введение
Материаловедение − это наука о взаимосвязи электронного строения, структуры материалов с их составом, физическими, химическими, технологическими и эксплуатационными свойствами.
Значение этой дисциплины определяется широким диапазоном материалов, используемых в практической деятельности во всех отраслях народного хозяйства. Знания, полученные в области материаловедения, должны обеспечивать в производственных процессах рациональное и эффективное использование материалов при соблюдении требований экономии, экологии и безопасности труда.
Цель настоящего учебного пособия − дать студентам технических специальностей базовый уровень знаний в области материаловедения, позволяющий решить следующие задачи:
- получить прочные знания об основных закономерностях, определяющих строение и свойства материалов, о методах их обработки, о поведении материалов в основных процессах эксплуатации или потребления;
- раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов, показать их влияние на свойства материалов;
- изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов, обеспечивающих высокую надежность, износостойкость и долговечность деталей машин, научить выполнять наиболее широко применяемые в технике методы испытания качества материалов;
- изучить основные группы современных металлических и неметаллических материалов, их свойства и область применения;
- дать навыки самостоятельного пользования справочной литературой и нормативной документацией для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их использования в зависимости от условий их применения.
Учебное пособие поможет будущим инженерно-техническим работникам увязать свои теоретические знания с практической работой и облегчит понимание специальной литературы по материаловедению, а специалистам, имеющим практический опыт работы, будет способствовать обновлению теоретических знаний.
Содержание дисциплины базируется на знании общетехнических дисциплин: химии, физики, термодинамики, физической химии, а также большого числа специальных дисциплин.
Основу учебного пособия составляют труды Ю.А. Геллера, Ю.М.Лахтина, М.Е. Дрица, В.П.Леонтьева, М.Смита, М. Хансена, Н.Ф.Болховитинова, Б.Н.Арзамасова, Г.П. Фетисова и др. в области теории и практики использования различных металлов и сплавов, материалов из органических и нерганических минеральных веществ, полимерных, полупроводниковых, нанокристаллических, пленкообразующих и смазочных материалов.
Содержание учебного пособия полностью отражает учебную программу курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов».
Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом по специальностям: 130401 «Физические процессы (горного или нефтегазового) производств, 130403 «Открытые горные работы», 130404 «Подземная разработка месторождений полезных ископаемых», 130405 «Обогащение полезных ископаемых», 140402 «Теплофизика», 140201 «Высоковольтные электроэнергетика и электротехника», 210301 «Радиофизика и электроника».
Пособие может быть использовано студентами, аспирантами и преподавателями инженерно-технических специальностей.
Основные понятия
Вещество – вид материи, совокупность дискретных образований (атомы, молекулы и то, что из них построено), обладающих массой покоя.
В зависимости от стадии своего жизненного цикла вещество рассматривается как сырье, материал или изделие.
Сырье – вещество, предназначенное для дальнейшей переработки.
Материал – вещество, предназначенное для изготовления чего-нибудь. В производственных процессах материалы рассматривают в зависимости от их роли как основные и вспомогательные.
Материалы основные– это материалы, которые непосредственно расходуются на изготовление продукции и составляют ее главное вещественное содержание. На предприятиях горнодобывающей промышленности к основным материалам по существу относятся только материалы, затрачиваемые на производство запасных частей, металлических изделий, тары и т.д. Принципиальное отличие горного дела от других отраслей заключается в том, что основным материалом для него являются полезные ископаемые.
Материалы вспомогательные— материалы, применяемые для производства, но не входящие в состав продукции. На горных предприятиях к вспомогательным относятся почти все потребляемые материалы (взрывчатые вещества, лесные материалы, смазочные масла, топлива и др.).
Изделие (продукция) – конечный результат человеческого труда.
Состав материала— количественная характеристика содержания в нем компонентов. Составы различают по природе компонентов. Так, рассматривают химический, минеральный и другие составы.
Химический состав– количественная характеристика содержания в нем химических элементов или их соединений (например, оксидов).
Минеральный состав– количественная характеристика содержания минералов в каменном материале.
Минераломназывают природное тело, однородное по химическому составу и физическим свойствам. Минерал является продуктом физико-химических процессов, происходящих в земной коре.
Строение материала – совокупность устойчивых связей вещества, обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, то есть сохранение основных свойств.
Структура материала– форма, размеры и характер взаимного расположения образующих его компонентов.
Свойство материала– признак, составляющий его отличительную особенность.
Общие требования, предъявляемые к материалам в зависимости от условий использования, применения или эксплуатации
Возможность использования материала определяется его составом, строением, структурой и, следовательно, свойствами. При этом требования, предъявляемые к материалам в промышленности в зависимости от условий их использования, эксплуатации или потребления, определяются понятием «качество материала».
Качество материала–совокупность его свойств, обусловливающих пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением.
Во всех странах задача обеспечения качества, в том числе продукции, имеет важнейшее значение и рассматривается на государственном уровне. Существуют следующие виды обеспечения качества: научное, организационное, нормативно-техническое, метрологическое, информационное, правовое, материально-техническое. Материаловедение дает возможность научного обеспечения качества веществ и материалов.
Организационное обеспечение решается органами Госстандарта России, в задачи которого входит руководство такими органами, как Государственная служба стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.
Стандартные образцы веществ и материалов – осязаемые объекты. Во многих случаях это прототипы либо образцы коммерческих материалов – цемента, стали, стекла с аттестованным составом. Иногда это природные вещества, например, горные породы, почва или ткани растений.
Изначально стандартные образцы веществ и материалов применялись для контроля качества в промышленности, особенно в отраслях, связанных с металлообработкой. В ряде случаев стандартные образцы веществ и материалов помогали заключению торговых сделок. Пример такого рода – продажа железной руды, количество которой исчисляется миллионами тонн, а цена прямо связана с содержанием железа. Отклонение концентрации железа в руде примерно на 0,1 % увеличивает или уменьшает стоимость груза крупного рудовоза на тысячи у.е. Надежные измерения химического состава стандартных образцов веществ и материалов способствуют принятию важных решений для случаев:
- определения пригодных материалов и готовой продукции для производств, где химический состав продукции регламентирован;
- контроля состояния здоровья и профилактики болезней, например при профессиональных заболеваниях;
- выявления возможности нарушения закона, например, при анализе выхлопных газов автомобилей и сравнении результатов со стандартными образцами;
- установления совершения преступления при судебной экспертизе.
Для регистрации стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, типы которых признаны в качестве межгосударственного стандартного образца (МСО) стран СНГ, предназначен Реестр МСО. Он является источником официальной информации о результатах создания и признания типов МСО.
Создание стандартных образцов веществ и материалов – дело дорогостоящее и к тому же требует широких технических знаний и большого опыта. Разработка новых стандартных образцов веществ и материалов почти всецело определяется рыночным спросом.
В мире 20 тыс. стандартных образцов веществ и материалов. Компьютерный банк данных «Кодекс образцовых веществ» (CO-MAR) содержит информацию о 12 тыс. стандартных образцов веществ и материалов из 20 стран. В базу данных включены: название и общее описание вещества, название и адрес изготовителя, форма вещества, аттестованные свойства, их значения и область применения. Центры кодирования CO-MAR действуют в 14 странах. Необходимую информацию можно получить на Web-сайте и в центральном секретариате COMAR.
Нормативно-техническое и метрологическое обеспечение качества также решается государственной системой стандартизации на основе систем стандартов, среди которых:
- государственная система стандартизации (ГСС);
- система показателей качества (СПК);
- государственная система обеспечения требуемой точности и единства измерений (ГСИ);
- государственная система стандартных справочных данных (ГСССД) и др.
ГСИ и ГС ССД используют образцовые вещества и химические эталоны, что формирует основу единства измерений и обеспечивает точность результатов, калибровку оборудования, мониторинг лабораторий и методов оценки, а также способствует сличению методов при использовании этих веществ в качестве эталонов сравнения. Они должны быть четко маркированы, что позволяет проводить их однозначную идентификацию со ссылкой на соответствующие сертификаты и другую документацию.
Обязательные требования к качеству продукции, в том числе веществ и материалов, базируются на показателях СПК. Они включены в государственные стандарты Российской Федерации – стандарты на продукцию, а именно:
стандарты общих технических условий, которые содержат общие требования к группам однородной продукции;
стандарты технических условий, которые содержат требования к конкретной продукции.
Стандарт общих технических условий в общем случае содержит следующие разделы:
- классификацию, основные параметры и (или) размеры;
- общие технические требования;
- требования безопасности;
- требования охраны окружающей среды;
- методы контроля;
- правила приемки;
- транспортирование и хранение;
- указания по эксплуатации (ремонту, утилизации);
- гарантии изготовителя.
Номенклатуру, состав, содержание и наименование разделов (подразделов) определяют в соответствии с особенностями стандартизируемой продукции и характером предъявляемых к ней требований.
Стандарт технических условий устанавливает для одной или нескольких марок, сортов и т.п. продукции всесторонние требования, соблюдение которых должно обеспечиваться при производстве, поставке, потреблении (эксплуатации), ремонте и утилизации данной продукции.
Окончательная оценка пригодности тех или иных материалов для конкретного использования дается на основании натурных испытаний, установленных требованиями государственных стандартов.
Задачи информационного обеспечения качества веществ и материалов решает Всероссийский научно-исследовательский центр стандартизации, информации и сертификации сырья, материалов и веществ Госстандарта России (ВНИЦ СМВ). ВНИЦ СМВ располагает информационным центром стандартов, который комплектуется таблицами рекомендуемых и стандартных данных по свойствам материалов и веществ, методиками ГС ССД, паспортами безопасности материалов и веществ, копиями аттестатов аккредитации органов по сертификации испытательных лабораторий (центров), государственными реестрами и копиями сертификатов соответствия (безопасности) на продукцию. Кроме того, в этом центре имеются авторские свидетельства об изобретении (разделы по материалам, веществам и методы их получения).
Правовое обеспечение качества гарантируется основными законами РФ и в первую очередь. Законом о защите прав потребителей.
Материально-техническое обеспечение качества определяется условиями производства и обращения материалов.