Основы материаловедения - Учебное пособие

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»Второе издание, исправленное и дополненное В учебном пособии рассмотрены вопросы формирования структуры и свойств материалов, используемых в машиностроении. Из неметаллических материалов в пособии рассмотрены полимеры, керамики и композиционные материалы с волокнистым упрочнителем на металлической и неметаллической основе. Учебное пособие соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов специальностей 151001 «Технология машиностроения» и 150202 «Оборудование и технология сварочного производства». Пособие написано на основе лекций, прочитанных авторами на кафедре «Материаловедение и технология металлов» ТПУ студентам дневной формы обучения.Материаловедение - это наука, изучающая взаимосвязь химического состава, строения и свойств материалов. В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, элементы которых работают в самых разнообразных условиях. Для того чтобы обеспечить работоспособность, надежность и долговечность всех деталей и конструкций, применяемых в современной технике, нужны материалы, которые обладали бы необходимыми свойствами и могли бы работать в конкретных условиях эксплуатации.В любом веществе или материале образующие его частицы (атомы, ионы, молекулы) находятся на определенном расстоянии друг от друга и между ними действуют силы притяжения и отталкивания, которые, как правило, уравновешены. Энергию связи между частицами вещества называют энергией межатомной (иногда межмолекулярной) связи. Различают 4 типа межатомных связей: 1) связь Ван-дер-Ваальса; Суть этой связи заключается в том, что все материальные частицы (атомы, ионы, молекулы) испытывают слабое взаимное притяжение друг к другу. Например, в кристалле аргона величина энергии связи составляет 7,5 КДЖ/моль, а в кристалле метана СН4 - 10,0 КДЖ/моль.Если, например, классифицировать материалы по назначению, то машиностроительные материалы можно разделить на конструкционные и инструментальные. Кристаллами называются твердые вещества, на 100 % состоящие из кристаллической фазы. Атомы в кристаллах располагаются в пространстве закономерно, образуя кристаллическую структуру. Кристаллические вещества при нагреве переходят из твердого состояния в жидкое при строго определенной температуре, так же как и при охлаждении - из жидкого состояния в твердое (см. рис. Стекла, или аморфные вещества, - это твердые вещества, не имеющие в своем объеме кристаллической фазы, т. е. закономерное расположение атомов в пространстве у стекол отсутствует.Кристаллическое строение в плоскости можно представить как расположение атомов (ионов), показанное на рис. Для удобства кристаллическое строение обычно изображают, показывая точками или кружками только центры тяжести атомов и соединяя их прямыми линиями, которые символизируют межатомные связи (рис. Схема сталлографической плоскостью. кристаллографической Если плоскую кристаллическую решет-плоскости ку многократно воспроизвести параллельно самой себе, получится так называемая пространственная кристаллическая решетка, которая дает представление о строении материала во всем объеме кристалла (рис. Для описания формы и размеров элементарной кристаллической ячейки используются 6 величин: 3 расстояния от атомов в узлах решетки до их ближайших соседей по осям координат и 3 угла между этими осями (рис. Элементарная ячейка такой решетки представляет собой куб (рис.Для определения характеристик материала при растяжении ис-max пользуют разрывные машины различной мощности, на которых стандартные образцы доводят до разрушения с записью диаграммы растяжения в координатах нагрузка - удлинение образца (рис. Так как это напряжение не вызывает пластической деформации, то его часто отождествляют с пределом упругости; Пластическая деформация наступает при напряжениях больше предела пропорциональности (или предела упругости). За счет такого элементарного акта пластической деформации происходит сдвиг в кристалле на величину одного межатомного расстояния (см. рис. Если учесть, что пластическая деформация осуществляется движением дислокаций и их количество при деформации возрастает на несколько порядков, то в месте скопления движущихся дислокаций перед препятствием возникает зародыш трещины.Когда пластическая деформация становится больше 1 %, различия между отдельными зернами уменьшаются, и возникает ориентированность зерен относительно направления деформирования (рис. Если до пластической деформации металл находился в равновесном состоянии (с минимальным запасом свободной энергии), то после пластической деформации часть энергии, затраченной на деформирование (5-10 %), остается в металле в виде дефектов кристаллического строения и упругих искажений решетки.