Лекции по "Материаловеденю"

КРАТКИЙ  КУРС ЛЕКЦИЙ

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

для студентов групп 9ХБб-1 и 9ХБб-2

(4 курс, хорошо  знают химические свойства элементов  и их строение)

 

(В курсе  лекций частично заимствованы  материалы из электронного учебника Бажковой Т.И.)

Литература

1. Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П.Гуляев. - М.: Металлургия, 1986.- 541 с.

2. Мозберг, Р.К. Материаловедение: учебник для вузов / Р.К.Мозберг. - М.: Металлургия, 1991. - 500 с. 

3. Лахтин, Ю.М. Основы  металловедения: учебник для вузов / Ю.М.Лахтин. - М.: Металлургия, 1988. - 400 с.

4. Новиков, И.И. Теория  термической обработки: учебник  для вузов / И.И.Новиков. - М.: Металлургия, 1988. - 479 с. 

5. Конструкционные материалы:  Справочник / под ред. Б.Н.Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 687 с.

6. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н.Арзамасов. - М.: Машиностроение, 1986. -383 с. 

7. Башнин, Ю.А. Технология  термической обработки / Ю.А.Башнин, Б.К.Ушаков, А.Г.СекеЙ. - М.: Металлургия, 1986. - 424 с.

8. Гольдштейн, М.И. Специальные  стали / М.И.Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Веслер. - М.: металлургия, 1985. - 407 с.

9. Схиртладзе А.Г., Моисеев  В.Б., Скрябин В.А., Борискин В.П.  Технология конструкционных материалов: учебное пособие. Старый Оскол, ТНТ, 2009, -360 с.

10. Технология конструкционных  материалов: учебное пособие для  вузов / Под редакцией М.А. Шатерина. -СПб.: Политехника, 2005.-597 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                Структура дисциплины

 

 

 

 

1. Общие сведения о машиностроительных конструкционных материалах

 

1.1. Термины.  Сведения о технологии металлов.

Изделие и его элементы

    Деятельность любого производства направлена на изготовление той или иной продукции. По ГОСТ 1567-79 под продукцией понимают результат процесса трудовой деятельности, обладающий полезными свойствами, полученный в определенном месте, за определенный интервал времени и предназначенный для использования потребителями в целях удовлетворения их потребностей как общественного, так и личного характера. Продукцией машиностроительного производства являются разнообразные изделия, выпускаемые в необходимом количестве и требуемого качества. В соответствии с ГОСТ 2.1010-69 изделием называют любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Изделиями являются различные  машины, установки, механизмы и отдельные  детали. Машины и установки состоят  из сборочных единиц, которые, в свою очередь, собирают (свинчивают, сваривают, склеивают и т. д.) из отдельных деталей. Деталь - это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.

Деталь характеризуется  комплексом свойств, к числу которых  относятся:

свойства материала  детали; форма ее поверхности; размеры детали; точность размеров и формы; качество поверхности детали.

Важной характеристикой  детали является также ее себестоимость. Исходным предметом для получения  подавляющего большинства деталей  служит заготовка, представляющая собой  предмет труда, из которого изменением формы, размеров и свойств материала или его поверхности, изготавливают деталь.

Производственный  и технологический процессы

    Изделия получают в результате производственного процесса, который представляет собой совокупность всех действий людей и орудий труда, необходимых для изготовления или ремонта продукции.

Производственный процесс  начинается с анализа рыночной ситуации и изучения состояния развития науки  и техники, что позволяет определить целесообразность изготовления того или  иного изделия. Далее следуют фазы проектирования изделия и разработки производственных планов, закупки материалов и подготовки производства, поставки необходимых материалов и комплектующих частей, и, наконец, наступает важнейшая часть производственного процесса - технологический процесс. По ГОСТ 3.1109-82 - технологический процесс - это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. В машиностроительном производстве это последовательное изменение формы, размеров, внешнего вида и свойств предметов производства, их контроль.

Заканчивается производственный процесс, как правило, сборкой, контролем  качества и сбытом изделия. Результаты сбыта анализируются, вносится требуемая  корректировка, и при необходимости производственный процесс вновь повторяется. Как правило, все изложенное происходит непрерывно, без простоев производства.

Описанный цикл производственного  процесса иллюстрируется схемой (рис. 1.1).

Рис. 1. Схема производственного процесса

 

 

    Технологические процессы строятся на основе технологических методов. По ГОСТ 3.1109-82 технологический метод представляет собой совокупность правил, определяющих последовательность и содержание действий при выполнении формообразования, обработки или сборки. Выбор того или иного технологического метода существенно зависит от типа производства и его условий. В соответствии с ГОСТ 14.004-83 в зависимости от широты номенклатуры изготавливаемых или ремонтируемых изделий, стабильности и объема их выпуска современное производство подразделяется на единичное, серийное и массовое. Единичное производство характеризуется широкой номенклатурой изделий и малым объемом их выпуска, исчисляемым штуками или десятками штук. В этих случаях на рабочих местах используют универсальное точное оборудование, а специальные инструменты и приспособления не применяют. Исходные заготовки характеризуются малой точностью и большими припусками под последующую размерную обработку. Квалификация рабочих очень высока, поскольку от нее в значительной мере зависит качество выпускаемой продукции.

Для массового  производства свойственны узкая номенклатура и большой объем выпускаемых изделий, непрерывно изготавливаемых в течение продолжительного времени. При этом используют специальное высокопроизводительное оборудование, часто связанное конвейерами, снабженное роботами, манипуляторами и средствами автоматического контроля. Широко применяют индивидуальные точные зготовки с минимальными припусками на дальнейшую обработку и специальный инструмент. Средняя квалификация рабочих существенно ниже, чем в условиях единичного производства, но одновременно имеются высококвалифицированные наладчики оборудования, специалисты по электронике, гидравлике и прочие квалифицированные сотрудники. Дальнейшее развитие автоматизации сопровождается сокращением числа малоквалифицированных рабочих.

Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися партиями и сравнительно большим объемом выпуска. Оно по своим признакам занимает промежуточное положение между массовым и единичным производствами. Здесь используют универсальное и специальное виды оборудования, станки с числовым программным управлением (ЧПУ), обрабатывающие центры. В зависимости от количества изделий в партии различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производства. Серийное производство является основным типом современного машиностроения.

Классификация конструкционных материалов

    Общая классификация  конструкционных материалов приведена схематично и условно.

    Конструкционные материалы служат для изготовления деталей, удовлетворяющих эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям, обусловленным служебным назначением машины. К ним относятся:

- металлы - химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью (современная металлургия производит свыше 60 металлов и на их основе более 5000 сплавов);

- сплавы - твёрдое тело, образованное сплавлением двух и более химических элементов.

Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и  в результате химического взаимодействия между химическими элементами. Разнообразие состава, типов межатомной связи  и кристаллических структур сплавов обуславливает значительное различие их физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойств. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами. Сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия - лёгкими цветными сплавами. Сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута - легкоплавкими цветными сплавами. Сплавы на основе меди, свинца, олова и др. - тяжёлыми цветными сплавами. Сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и другими - тугоплавкими сплавами;

- неметаллические материалы - неорганические и органические материалы, композиционные материалы на неметаллической основе, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, графит, стекло, керамика и т.д.;

- полимеры - вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры;

- аморфные вещества - тела, характеризующиеся полной изотропией свойств по всем направлениям. Изотропия аморфных тел объясняется хаотическим расположением в них атомов и молекул, лишённых какой-либо взаимной ориентации. Примерами веществ, находящихся в аморфном состоянии, являются естественные тела (опал, обсидиан, янтарь, смола и пр.) и искусственные (стекло, бакелит, плавленый кварц, желатин и др.).

   До недавнего времени основной базой машиностроения служила чёрная металлургия, производящая чугуны и стали. Эти материалы имеют много положительных качеств и, в первую очередь, обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки, как большая плотность и низкая коррозионная стойкость. Так потери от коррозии составляют 20 % годового производства изделий из стали и чугуна. В настоящее время всё более широкое применение в качестве конструкционных материалов находят неметаллические, главным образом, синтетические полимерные материалы, производство которых расширяется с каждым годом.

 

1.2. Строение конструкционных материалов

    В природе существуют две разновидности твёрдых тел, различающиеся по своим свойствам - кристаллические и аморфные. Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (ионов, атомов, молекул); аморфные хаотичным.

Все металлы  в твёрдом состоянии имеют  кристаллическое строение. В металлическом кристалле валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это даёт возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны от атома к атому. Происходит обобществление валентных электронов в объёме всего кристалла. Вследствие ненaправленности металлической связи, металлические кристаллы более пластичны и менее твёрды, чем ковалентные кристаллы. Хорошая электропроводность обеспечивается наличием свободных подуровней в валентной энергетической зоне.

Для описания атомно-кристаллической  структуры металлов пользуются понятием кристаллическая решётка. Кристаллическая решётка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы, образующие металл.

 

Цель подобных мысленных  построений заключается в том, чтобы  представить сложную физическую реальность, а также особенности изучаемого объекта в упpoщенном виде.

Важнейшей особенностью кристаллического состояния является упорядоченное расположение частиц вещества. Если вписать кристаллическую  решетку в систему координат, то по расстоянию между ближайшими частицами в кристалле и углам между осями координат можно рассчитать взаимное расположение частиц в твердом теле. Для дальнейшего изучения кристаллического строения в кристаллической решетке можно выделить элемент объема из минимального количества частиц (атомов), многократным переносом (трансляцией) которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Объем, который характеризует особенности строения данного типа кристалла, называется элементарной ячейкой.

Основные  типы кристаллических решеток металлов

Имеется относительно небольшое количество кристаллических решеток.

Наиболее распространены кристаллические решетки следующих  типов объемно центрированная кубическая (сокращенно о.ц.к.), гранецентрированная  кубическая (г.ц.к), гексагональная, которая  бывает плотноупакованная (г.п.у.) и неплотноупакованная. Подавляющее большинство металлов имеет отмеченные типы кристаллических решеток (рис. 2).

а)                                                  б)                                                          в)

Рис. 2 - Схема расположения атомов в кристаллической решетке 

Параметры кристаллической решетки

Кристаллические решетки характеризуют  следующие основные параметры: период решетки; атомный радиус; энергия решетки; координационное число; базис и коэффициент компактности решетки.

Под периодом решетки понимают расстояние между центрами двух соседних частиц (атомов, ионов) в элементарной ячейке решетки (а, b на рис. 2). Периоды решетки выражаются в ангстремах - (1 = 10^-8 см). Параметры решетки металлов находятся в пределах 0,2—0,7 нм и определяются методом рентгеноструктурного анализа с точностью до третьего, а при необходимости и до четвертого или даже пятого знака после запятой.

Под атомным радиусом понимают половину межатомного расстояния между центрами ближайших атомов в кристаллической решетке элемента при нормальной температуре и атмосферном давлении. Однако атомный радиус не является неизменной величиной, а изменяется в зависимости от ряда факторов, важнейшими из которых являются координационное число и тип химической связи между атомами в кристалле.