Материаловедение. Общие сведения о металлах

Рекомендации по работе с литературой (основной)
1. Абрамов, В.И. Материаловедение [Текст]: Учебник / В.И. Абрамов, Н. Н. Сергеев – Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л.Н. Толстого, 2012. – 194 с. http://rucont.ru/efd/197205
2. Корытов, М.С. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов заочной формы обучения с применением дистанционных образовательных технологий [Текст] / М.С. Корытов, В.В. Евстифеев. - Омск: СибАДИ, 2010. - 239 с. http://window.edu.ru/resource/720/79720

Рекомендации по работе с дополнительной
литературой
1. Оськин, В. А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов [Текст]: учебник / В. А. Оськин, В. В. Евсиков. – М. : Колос, 2008. – 447 с.: ил.
2. Некрасов, С. С. Обработка материалов резанием [Текст]: учебник / С. С. Некрасов. – М. : Колос, 1997. – 320 с.: ил.
3. Солнцев, Ю. П. Материаловедение [Текст]: учебник / Ю.П. Солнцев, Е. И. Пряхин. –С-Пбт.: Химиздат, 2007. – 784 с.: ил.

1. Классификация материалов
Материаловедением называют прикладную науку о связи состава, строения и свойств материалов.
Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности, надежности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения.
Теоретической основой материаловедения являются разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем.
Изучение физических (плотность, теплопроводность, магнитная проницаемость), механических (твердость, прочность, модуль упругости), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию, хладостойкость, жаропрочность) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований.
Все материалы используемые в машиностроении, можно разделить на следующие группы:

1. Классификация материалов

1. Классификация материалов
Черные (в основном Fe и сплавы на его основе) – темно-серый цвет, большая плотность относительно высокая температура плавления и твердость. Из каждых 100 кг металлов используемых в промышленности, агропроме, быту, примерно 95 занимают Fe и его сплавы.
Цветные – красный, желтый, белый цвет. Большая пластичность относительно низкая t⁰ плавления и твердость.
Композиционные – матрицы и армирующее (усиливающие).
Матрицами или матричными материалами являются металлы и их сплавы, органические и неорганические полимеры, керамика и др. свойства.
Дисперсно-упрочненные – в матрице равномерно распределены мелкозернистые частицы второго вещества (2…4%). Всю нагрузку воспринимает матрица, армирующее вещество создают структуру эффективно сопротивляющуюся пластической деформации.
Свойства одинаковы во всех направлениях (изотропны)

1. Классификация материалов
Волокнистые – пластичная матрица и волокна армирующего вещества (нити, проволки сетки ткани, ленты и холсты состоящие из элементов, имеющих высокий модуль у прочности (бор, углерод, азот, кислород, Al, кремний)
Объемная доля армирующего волокна достигает до 75%.
Свойства вдоль и поперек волокон различны (анизотропны).
Техническая керамика – поликристаллические материалы, получаемые спеканием природных глин и их смеси с минеральными добавками, а также с оксидами и другими неорганическими добавками.
Чаще используются: нетрид кремния (Si) карбид кремния (SiC) оксид алюминия (Al2O3), диоксид циркония (ZnO2), титанат алюминия (Al2O3 + TiO2).
Ценными свойствами технической керамики является: высокая термостойкость (жаропрочность 627…1600⁰С), низкая теплопроводность, низкий коэффициент трения (fтр керамика сталь почти в 3 раза ниже чем fтр сталь-сталь).
Связь между составом, строением и свойствами материалов можно представить следующей схемой.

Связь между составом, строением и свойствами материалов

2. Металлы и их основные свойства
Что такое металл? В технике под металлом понимают вещества которые обладают металлическим блеском и пластичностью.
Хорошо сказал М. В. Ломоносов: «Металлы суть твердые тела, которые ковать можно.»
Однако более типичными, характерными свойствами металлов и сплавов, являются высокие тепло и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры.
Из известных в настоящее время 106 хим. элементов 76 являются металлами. Металлы наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и быту человека.
Ленин назвал металл одним из фундаментов современной цивилизации, имея в виду, что уровень промышленного и культурного развития той или иной страны находится в непосредственной зависимости от количества металла, выплавляемого на душу населения.

2. Металлы и их основные свойства
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные (служебные).
Физические – цвет, плотность (удельный вес), плавкость (min ртуть – 39, max вольфрам +3370 ⁰С) тепло и электропроводность (в порядке убывания Ag, Cu, Аu, Al) магнитные свойства (Fe, кобальт, никель), теплоемкость, расширяемость при нагревании.
Химические – растворимость, окисляемость и коррозийная стойкость (Au, Ag, платина).
Технологические – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обработка резанием.
Эксплуатационные – хладо и жаропрочность, антифрикционность, способность прирабатываться к упругому материалу.

2. Металлы и их основные свойства
Механические свойства
Твердость - способность противостоять проникновению другого более твердого тела, относительная твердость по 10 бальной минералогической шкале: алмаз - 10, хром-9, вольфрам-7, Fe-4,5, Cu и Al-3. Наименьшая твердость у цезия-0,2.
Твердость измеряется по методам Бринелля, Роклелла, Виккерса.
По Бринеллю (закален шариком диаметром 2,5; 5-10 мм и соответствующей нагрузкой) в НВ (кг/мм2, 1 кг/мм2=10 МПа).
По Бринеллю измеряют твердость до 500 НВ
По Роквеллу шариком (диаметром 1,58 мм – 1/16 дюйма) или алмазным конусом с углом 120⁰ в единицах в зависимости от шкалы РRB шариком до твердости 220НВ. РRB- алмазным конусом, твердостью >500НВ. 1HRC≈НВ.HRA при высокой твердости алмазным конусом.
По Виккерсу( алмазной пирамидой с углом при вершине 136⁰ ) измеряют мягкие, твердые, тонкие поверхностные слои(ХГО)

2. Металлы и их основные свойства
Упругость – возможность восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы - деформацию.
Пластичность – способность деформироваться без разрушений под воздействием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил почти без изменения. Свойство обратное упругости. Характеризуется относительным удлинением σ% = Δl/lнач или относительным сужением ψ=ΔF/Fнач
Ползучесть – непрерывная пластическая деформация материала под действием постоянной нагрузки. Ползучести подвержены все кристаллические и аморфные тела (при всех видах механических нагрузок)