Матеріалознавство

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Макіївка – 2013

Конспект лекцій з дисципліни: «Матеріалознавство».

Підготувала Туголукова І.Г. – викладач вищої категорії Макіївського металургійного технікуму – 2013р.

РОЗГЛЯНУТО ТА СХВАЛЕНО

На засіданні циклової комісії металургійних дисциплін та рекомендовано до затвердження

Протокол №_ 5 _ від _ 22 січня __2013р.

Голова циклової комісії Письменна І.А.

ЗМІСТ

1. Вступ. Фізико-механічні властивості. Методи випробування

механічних властивостей

1. Теорія сплавів. Порошкові матеріали.

2. Дослідження стану «залізо-цементит».

3. Кольорові метали та сплави

4. Загальні положення термічної обробки сталі

5. Відпал сталі, гартування, відпуск

6. Зварювання плавленням. Ручне електродугове зварювання

7. Напівавтоматичне та автоматичне дугове зварювання в

атмосфері захисних газів

8. Електроерозійні методи обробки

9. Відновлення та обробка деталей пластичним деформуванням

10. Ремонт деталей полімерними матеріалами

Лекція 1

Тема: «Вступ. Фізико-механічні властивості. Методи випробування

механічних властивостей»

План

1. Поняття о металознавстві.

2. Роль науки о металах.

3. Сучасний стан розвитку металознавства.

4. Будова рідких металів і сплаві.

5. Властивості металів і сплавів

6. Макроструктурний аналіз.

7. Мікроскопичний аналіз.

8. Електронна мікроскопія.

9. Рентгеноструктурний аналіз і рентгенівська дефектоскопія.

10. Термічний метод.

11. Дилатометричний метод.

12. Магнітна дефектоскопія.

В історії суспільства метали і сплави завжди відігравали важливу роль, оскільки ніяка праця без них неможлива. Відповідно до матеріалу, з якого люди виготовляли собі знаряддя для добування засобів до, розрізняють великі історичні епохи:

Кам’яний вік – тисяч років тому;

Мідний вік – ІV тисячоліття до н.е.;

Бронзовий вік – ІІІ тисячоліття до н.е.;

Залізний вік – середина ІІ тисячоліття до н.е.

Тривалий час людство використовувало такі матеріали, як каміння, дерево, кість, ріг тому технологія матеріалів починається з давніх часів. Одним з перших матеріалів у житті людини був камінь. Але і бронза, залізо та інші метали мають в першооснові каміння – руду.

На початку цінність каменя визначали виключно за його формою та масою. Потім люди звернули увагу на твердість каменю. Далі вже зацікавились його складом і внутрішніми властивостями. Пізнавши властивості каменю, вони почали відкривати закони фізики, хімії. Вивчення відбитків рослин і тварин на камінні, дало змогу проникати у таємниці органічного світу. І чим глибше пізнавала людина каміння, тим більше нових матеріалів вдалося їй створити, тим сильнішою вона ставала в протистоянні природі. Будуючи міста, фабрики, заводи, прокладаючи дороги, запускаючи у космос ракети, людина використовує у роботі незліченну кількість мінеральної сировини. З розвитком машинної індустрії значення матеріалів різко зросло, а технологія їх обробітки стала вдосконалюватись.

Коли йдеться про нові досягнення сучасної техніки, слід пам’ятати, що однією з їх передумов було створено нових матеріалів з наперед заданими властивостями (міцністю, твердістю, зносостійкістю, стійкістю до дії високих температур і агресивного середовища і т.п.).І хоча у металів з’явилися серйозні конкуренти, так як полімери та керамічні матеріали, вони зберігають свої вагомі позиції у основних сферах людської діяльності. Особливе значення в історії людства має залізо – один з основних продуктів сучасної промисловості. Ще народи давнього світу виробляли й використовували залізо і його сплави та піддавали їх термічній обробці.

Нині з металу або з його допомогою виробляють величезну кількість предметів – від цвяха до космічного корабля. Виробництво металів, уміння покращувати їх властивості, створення матеріалів з наперед заданими властивостями – важливі показники, що характеризують рівень розвитку суспільства, віддзеркалюють ступінь техніко-економічної зрілості країни.

Швидкий розвиток техніки вимагав застосування нових металічних матеріалів, що стали можливим тільки тоді, коли почалось систематичне вивчення зв’язків між складом, обробкою, будовою і властивостями металів і сплавів. Усе це вимагало також підготовки фахівців з матеріалознавства.

Металознавство, як спеціальна дисципліна сформувалася протягом останніх ста років. В наш час виробництво металів виконує одну з основних функцій в господарстві будь-якої країни, а продукція металургії має пріоритетне значення на світових ринках.

За останні роки металознавство зробило нові кроки: почали застосовуватись більш сучасні види термічної і хіміко-термічної обробки сталей, розвинута теорія легування і мікро легування сплавів, на її основі створені високоміцні, корозійностійкі, жароміцні сталі, а також сплави алюмінію, магнію, титану та інших металів.

Наука про метали наближається до такого стану, коли на основі системного аналізу з використанням обчислювальних машин, можна буде проводити обґрунтування хімічного складу, структури, прогнозувати і розраховувати з достатньою точністю властивості нових унікальних сталей і сплавів.

Будова рідких металів і сплавів у певній мірі впливає на формування деяких особливостей їх будови в твердому стані, що має експериментальні підтвердження за допомогою сучасних методів досліджень і використовується при розробленні технології виплавки і твердіння сплавів.

Рідкі метали, як і кристалічні, характеризуються близькими значеннями густини, тому їх об'єднують під назвою конденсованих фаз. Вони істотно відрізняються від металевого газу. Кристалічний метал характеризується далеким порядком розташування атомів, тобто повністю закономірне розміщення атомів у просторі спостерігається на великих відстанях від окремо взятого (даного атома). В рідкому металі впорядковане розташування спостерігається тільки в найближчому оточенні даного атома, тому будова рідкого металу характеризується наявністю близького порядку.

Коли рідкий метал нагріти вище температури плавлення при незначному перегріванні, то в ньому виникають, деякий час існують і розпадаються субмікроскопічні об'єми, що характеризуються далеким порядком.

Важлива роль будови рідини в наступній кристалізації підтверджується попередньою обробкою розплавів. Застосовують різні види обробки, що впливають на процес кристалізації: перегрівання та термоциклування, струшування, електромагнітне перемішування, обробка за допомогою коливань низької та ультразвукової частоти, обробка змінним або постійним електричним струмом. Обробка електричним струмом при кристалізації чавуну приводить до подрібнення й більш рівномірного розподілу графіту, внаслідок чого зростає міцність чавунних виливків.

Електромагнітна обробка розплаву силуміну викликає такий же ефект, який має рафінування алюмінієвих сплавів під час кристалізації.

Електромагнітне перемішування розплавленого чавуну, приводить до прискорення реакцій на межі метал-шлак, сприяє виведенню сірки, кисню та інших газів. До того ж, форма включень графіту змінюється з пластинчастої на кулясту.

Під металами розуміють такі елементи, які, вступаючи у хімічну реакцію з неметалами, віддають їм свої валентні електрони.

Метали — кристалічні тіла, що характеризуються високими: електро- та теплопровідністю, ковкістю та іншими властивостями, що обумовлені наявністю в них значної кількості рухомих електронів провідності. Колір металу залежить від його здатності відбивати світло у видимому діапазоні довжин хвиль.

Усі метали ділять на дві великі групи: чорні (залізні) й кольорові (незалізні).

Чорні метали — це залізо та його сплави (сталь, чавун, феросплави). На їх частку припадає 95% світової металопродукції.

Кольорові метали — усі інші метали, крім чорних.

Для оцінки й дослідження властивостей металів і сплавів застосовують різні методи — фізичні, структурні, механічні.

Розповсюдженість металів показана в табл. 1

Таблиця 1 Розповсюдженість хімічних елементів в земній корі, % маси

Назва елемента	Вміст	Назва елемента	Вміст	Назва елемента	Вміст
Кисень (О)	49,5	Фтор (F)	0,065	Олово (Sп)	0,004
Кремній (Sі)	25,3	Сірка (S)	0,05	Кобальт (Со)	0,003
Алюміній (Аl)	7,5	Барій (Ва)	0,05	Свинець (РЬ)	0,0016
Залізо (Fе)	5,08	Хлор (СІ)	0,045	Миш'як (Аr)	0,0005
Кальцій (Са)	3,39	Стронцій (Sr)	0,04	Бор (В)	0,0003
Натрій (Nа)	2,63	Рубідій (Sr)	0,031	Уран (U)	0,0003
Калій (К)	2,40	Цирконій (Zr)	0,02	Бром (Вr)	0,00016
Магній (Мg)	1,93	Хром (Сr)	0,02	Йод (І)	0,00003
Водень (Н)	0,97	Ванадій (V)	0,015	Срібло (Аg)	0,00001
Титан (Ті)	0,62	Азот (N)	0,01	Ртуть (Нg)	0,000007
Вуглець (С)	0,1	Мідь (Си)	0,01	Золото (Аи)	0,0000005
Марганець(Мп)	0,09	Нікель Nі	0,008	Платина(Рt)	0,0000005
Фосфор (Р)	0,08	Цинк (Zп)	0,005	Радій (Rа)	0,0000000001