Курс лекций по дисциплине "Материаловедение"

Занятие 1. (2 часа!)

 

Введение.

 

Материалы – вещества, используемые в технике, в т.ч. в строительстве.

Свойства – признаки, по которым различные материалы отличаются друг от друга.

Свойства материалов (условно подразделяют на виды):

- физические;

- химические;

- механические;

- технологические и т.д.

 Физические свойства материалов зависят от их внутреннего строения.

1 Плотность:

- истинная плотность – определяется отношением массы абсолютно плотного вещества (без примесей посторонних веществ и воздушных пустот) к занимаемому им объему. Истинная плотность материала всегда оказывается достаточно высокой, например для древесины это значение составляет 1500 – 1600 кг/м³, тогда как средняя плотность равна всего 500 – 600 кг/м³ (для сосны).

Ρ=m/Vп, кг/м3 (см3)

m – масса материала, кг (г);

Vп – объём материала в плотном состоянии (без пор и пустот), м3 (см3).

• Средняя плотность – масса одного кубического метра материала в его естественном состоянии (с естественными примесями, воздушными пустотами и порами). Средняя плотность одного и того же материала различна для его вариантов с различной пористостью. Кроме того при повышении влажности материала, его плотность так же будет изменяться, возрастать.

Ρ=m/V, кг/м3 (см3)

m – масса материала, кг (г);

V – объём материала в естественном состоянии, м3 (см3).

• Насыпная плотность – характеристика сыпучих материалов (песка, цемента, щебня и др.) так же, как и средняя плотность определяется отношение массы вещества к занимаемому им объему, с учетом всех пустот между частицами.

2 Пористость – это степень заполнения объема материала порами, выражается в процентном отношении объема, заполняемого порами к объему всего материала с порами.

П=(1-ρср/ρ)100, %.

ρср – средняя плотность материала, кг/м3;

ρ – истинная плотность.

По типу поры делятся на

-открытые и закрытые;

- мелкие и крупные.

Чем большей пористостью обладает материал, тем больше его свойство водопоглощения и теплоизоляции и меньше плотность, прочность и долговечность.

3 Теплопроводность –  свойство материала передавать  через свою толщу тепловой  поток, возникающий вследствие разности  температур. Теплопроводность характеризуется  количеством теплоты, проходящей  в течение 1 ч через слой материала  толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности температур на противоположных поверхностях 1 градус.

Теплопроводность металлов является наиболее высокой по сравнению с теплопроводностью других материалов.

Материалы с малой теплопроводностью используют для изоляции трубопроводов и утепления наружных ограждающих конструкций.

4 Теплоёмкость – свойство  материалов поглощать при нагревании  определённое количество теплоты.

Мера теплоёмкости – удельная теплоёмкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг материала на 1 градус.

5 Тепловое (термическое) расширение  – способность материалов изменять  свои размеры в процессе изменения  температуры. Данное свойство необходимо  учитывать при прокладке трубопроводов, конструировании теплообменных  аппаратов.

6 Температура плавления  – температура, при которой материал  переходит в жидкий расплав  при фиксированном давлении.

7 Влажность – содержание  влаги в образце, отнесённое к  массе этого образца в сухом  состоянии.

W=Mводы/m, %.

8 Водопоглощение - это способность материала поглощать воду при повышении влажности, удерживать ее, и отдавать влагу обратно при высыхании. Водопоглощение, как свойство, выражается в процентном отношении массы поглощенной воды к массе вещества в сухом состоянии. Разделяют объемное водопоглощение, величина которого всегда меньше 100%

W0=((m1-m2)/Vc)100%,

и массовое водопоглощение, для высокопористых материалов этот показатель может доходить до 400% и больше.

W0=((m1-m2)/m1)100%,

m1 - масса материала в сухом состоянии, кг;

m2 – масса материала в полностью насыщенном водой состоянии, кг;

Vс – объём материала в сухом состоянии.

9 Водопроницаемость – это способность пропускания влаги под давлением. Показатель водопроницаемости определяется количеством воды, прошедшей через один квадратный метр площади материала под давлением в 1Мпа за 1 час. Плотные материалы в таких условиях абсолютно водонепроницаемы (прочная пластмасса, битум, стекло, сталь).

10 Морозостойкость материала определяется его устойчивостью к перепадам температуры в насыщенном водой состоянии. В условиях насыщения поры материала заполнены водой, которая при замерзании превращается в лед и увеличивается в объеме до 9%, в результате чего стенки пор испытывают большое давление и могут разрушаться. Все плотные материалы являются морозостойкими, а пористые материалы могут противостоять разрушающим воздействиям, если их поры являются закрытыми или заполняются водой не более чем на 90%.

Испытания на морозостойкость проводят за несколько циклов замораживания при температуре -15 и оттаивания. Если после испытаний прочность материала снизилась не более чем на 15% и потери в массе составили не более 5%, то материал считается морозостойким. Степень морозостойкости определяется отношением предела прочности при сжатии после испытаний к пределу прочности до испытаний (в насыщенном водой состоянии). Для морозостойких материалов такой показатель не менее 0,75.

Химические свойства характеризуют способность материалов к химическим превращениям под влиянием веществ, с которыми данный материал находится в соприкосновении.

- жаростойкость  – свойство металлов и сплавов  противостоять химическому воздействию  при высоких температурах;

- кислотостойкость – способность металлов и сплавов противостоять действию растворов кислот;

- коррозионностойкость – свойство материала противодействовать агрессивным средам.

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться деформациям и разрушению под действием внешних нагрузок.

- прочность –  свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутреннихнапряжений, возникающих под воздействием внешних сил.

- упругость;

- пластичность –свойство материала изменять форму и размеры под нагрузкой без образования разрывов и трещин и сохранять изменившиеся форму и размеры после удаления нагрузки;

- твёрдость – способность материала сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях;

- усталость – изменение механических и физических свойств материала под действием периодически изменяющихся во времени напряжений деформаций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Занятие 2. (1 час!)

 

ТЕМА 1. Строение металлов и основные свойства металлов и сплавов.

 

Основные свойства металлов

 

1. Строение.

 

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.

 

Рис. 2. Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б – гранецентрированный.

 

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (б=Fe) и 36,3 нм (г = Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур.

Зёрна – отдельные участки кристаллической решётки, прочно связанные между собой.

Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.

Аллотропия - способность одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру.

Данным свойством обладают железо, олово, титан и другие металлы.

Основные свойства металлов ( и сплавов) подразделяют на

- физико-химические;

- технологические;

- механические.

Под механическими свойствами понимается сопротивляемость металла к воздействию на него внешней силы.

 К механическим свойствам  относятся 

• вязкость, 
• прочность, 
• стойкость и другие.

Прочность – это свойства металла в определенных условия не разрушаться, но воспринимать воздействие внешних сил. Это свойство является важным показателем при выборе метода обработки металла.

Вязкость – это сопротивляемость материала действию ударной нагрузки. 

Твердость – свойства материала сопротивляться внедрению в него другого материала.

К основными технологическими свойствам относят

- ковкость,

- свариваемость, 

- свойство плавления, 

- обрабатываемость резанием и другие.

Ковкость – это свойства материала подвергаться металлообработке ковкой и другим методам обработки давлением.

Свариваемость – свойства материала создавать прочные сварные соединения.

Свойство плавления – свойство материала в расплавленном виде заполнять литейные формы и создавать плотные отливки с нужной конфигурацией.

Обрабатываемость резанием – свойство материала подвергаться резке металла для того, чтобы придать детали нужную форму, размер и шероховатость поверхности. Лучшим методом резки металлов является плазменная резка металла. После этого процесса металл практически не нуждается в дальнейшей металлообработке.  
Для того, чтобы получать качественное изделие с хорошим внешним и внутренним строением, нужно хорошо разбираться в строении металлов, ведь только так можно получить отличный результат.

(2 час!)

Сплавы!

Сплав — макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Наиболее распространёнными являются железоуглеродистые сплавы с различным содержанием углерода и иных компонентов.

При кристаллизации железоуглеродистых сплавов образуются следующие структурные компоненты:

- аустенит;

- феррит;

- цементит;

- перлит;

- ледебурит.

Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ – железе (состояние (одна из фаз) железа, в котором оно находится при температуре между 910-1400°).

Сталь в виде сплава железа с углеродом содержанием не более 2% при температурах выше 7230С имеет структуру чистого аустенита. Кристаллическая решётка аустенита – гранецентрированный куб.

Аустенит обладает высокой пластичностью и низкой твёрдостью. Хорошо поддаётся горячей обработке давлением, т.е. ковке, штамповке, прокатке.

Феррит – твёрдый раствор углерода в α – железе ( состояние железа, в котором оно находится при температуре до 769 °с; от других состояний (гамма-и дельта-железо) отличается строением кристаллической решетки).

В таком растворе процентное содержание углерода менее 0,02%. Кристаллическая решётка – объёмно-центрированный куб.

Феррит обладает свойствами, аналогичными аустениту.

Цементит – химическое соединение железа и углерода - Fe3C.

Содержание углерода 6,67%. Кристаллическая решётка сложная.

Увеличение содержания цементита в железоуглеродистых сплавах повышает их твёрдость и хрупкость.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита. Содержание углерода 0,83%.

Чем больше перлита в сплаве, тем выше показатели его механических свойств.

Ледебурит – механическая смесь цементита и аустенита. Углерод – 4,3%.

Применяемые в промышленности железоуглеродистые сплавы содержат не более 4,5% углерода.

Сплавы, содержащие более 2% углерода называются чугунами, менее 2% - сталями.

Основными металлами, применяемыми в строительстве и санитарно-технических системах, являются чёрные металлы – чугун и сталь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Занятие 3. (1 час!)

 

Производство чугуна

 

Производство чугуна – первичный процесс получения металла из природного сырья.

Исходные материалы:

- железные руды;

- топливо;

- флюсы.

Железные руды:

Fe3O4 – магнитный железняк, содержание железа до 70%;

Fe2O3 – красный и бурый железняк, содержание железа 50-60%;

FeCO3 – шпатовый железняк, содержание железа до 50-60%;