Основы материаловедения. Раздел 1

1. Предмет материаловедения
Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.
МАТЕРИАЛЫ – это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов.
Различают следующие разновидности материалов:
- сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда, нефть);
- полуфабрикат – переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, годным к потреблению.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ – наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а так же их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.).
Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.

Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а так же создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования их срока службы.

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ подразделяется:
Теоретическое материаловедение
Прикладное материаловедение
Общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях.
Оно базируется на достижениях естественных наук (физики, химии, механики и др.), от которых зависят использование материалов в технике и эффективность методов переработки их в изделия.
Определение оптимальной структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других технических изделий.

2. Структура материалов
Техническое значение материалов зависит от строения и выражается в их свойствах. Строение материалов характеризует структура.
Структура – совокупность устойчивых связей материала, обеспечивающих его целостность и сохранение основных свойств при внешних и внутренних изменениях.

Структура материалов определяется множеством факторов, строением:
- атомов;
- ионов;
- молекул,
распределением в них электронов, типом связей между частицами и т.д.
В материаловедении принято рассматривать три уровня строения материалов: АТОМ – МОЛЕКУЛА - ФАЗА

Молекула – наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами.
Атом – наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.
Ковалентная химическая связь образуется двумя электронами, причем эта электронная пара принадлежит двум атомам.
Ионная связь осуществляется в результате взаимного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.
Металлическая связь – это связь, в которой электроны каждого отдельного атома принадлежат всем атомам, находящихся в контакте. При этом валентные электроны способны свободно перемещаться в объеме кристалла.

Фазовое состояние вещества
Рассматриваемое вещество или совокупность веществ принято называть системой.
Системой называют совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия.
При этом системе противопоставляется внешняя среда – вещества, окружающего систему. Состояние системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени при неизменных внешних условиях, называются равновесными.

Различают системы:
- Гомогенные, которые состоят из одной фазы;
- Гетерогенные, которые состоят из нескольких фаз.
Фаза – это часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Фазой называют однородные составные части системы, имеющие одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от остальных частей поверхностями раздела.

При изменении внешних условий (температуры, давления, напряженности электрического поля и др.) вещество может переходить из одной фазы в другую
Такой переход называют фазовым.
К фазовым переходам относятся испарение и конденсация, плавление и затвердевание и др.
При фазовых переходах скачкообразно изменяется ряд физических свойств вещества (плотность, концентрация компонентов и др.). В зависимости от физических условий, главным образом от температуры и давления, вещества могут существовать в твердом, жидком и газообразном состояниях. Эти состояния вещества называют агрегатными.

3. Основные свойства материалов
Работоспособность машин и агрегатов в значительной степени зависит от свойства материалов, которые характеризуются конкретными параметрами. Параметры материалов определяют с помощью опытных измерений, используя специальные технические средства. Требования к исследуемым стандартным образцам материалов (например: масса, габаритные размеры, чистота поверхности и др.) устанавливаются соответствующими Государственными стандартами.

Механические свойства
Механические свойства материалов характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии внешних нагрузок.
Основными показателями свойств материалов являются:
- прочность;
- твердость;
- триботехнические характеристики.

Механические свойства
Прочность – свойство материалов сопротивляться разрушению, а так же необратимому изменению формы под воздействием внешних нагрузок.
Твердость – является механической характеристикой материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия.
Триботехнические характеристики – определяют эффективность применения материалов в узлах трения.

ПРОЧНОСТЬ
Деформирование – изменение относительного расположения частиц в материале (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг).
Предел упругости – напряжение, при котором остаточные деформации (т.е. деформации, обнаруживаемые при разгрузке образца) достигают значения, установленного техническими условиями. Предел упругости ограничивает область упругих деформации материала.
Предел текучести – напряжение, отвечающее нижнему положению площадки текучести на диаграмме (Рис. 1) для материалов, разрушению которых предшествует заметная пластическая деформация.
Предел прочности – напряжение или деформации, сответствующие максимальному (в момент разрушения образца) значению нагрузки.
Динамическая прочность – сопротивление материалов динамическим нагрузкам, т.е. нагрузкам, значение, направление и точка приложения которых быстро изменяется во времени.
Усталость материалов (выносливость) – процесс постепенного накопления повреждений под воздействием переменных повреждений, приводящих к изменению свойств материала, образованию и разрастанию трещин.
Ползучесть – непрерывное пластическое деформирование материалов под действием постоянной нагрузки.

Твердость является механической характеристикой материалов, отражающей их прочность, пластичность и свойства поверхностного слоя изделия. Она выражается сопротивлением материала местному пластическому деформированию, возникающему при внедрении в материал более твердого тела – индентора.
В зависимости от способа внедрения и свойств индентора твердость материалов оценивают по различным критериям,используя несколько методов:
- вдавливание индентора;
- динамические методы;
- царапанье.

Триботехнические характеристики определяют эффективность применения материалов в узлах трения.
Под триботехникой понимают совокупность технических средств, обеспечивающих оптимальное функционирование узлов трения.

Основные триботехнические характеристики
Прирабатываемость – свойство материала уменьшать силу трения, температуру и интенсивность изнашивания в процессе приработки.
Коэффициент трения – отношение силы трения двух тел к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения.