Лекція 1.1 Вступ. Історія розвитку науки про метали, їх кристалічна будова. Кристалізація металів. Механічні властивості металів та методи їх визначення

Тексти лекцій

1-й змістовий модуль: Основи матеріалознавства

Мета: Ознайомити студентів з основними поняттями конструкційних матеріалів: будовою та властивостями металів, роллю вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку матеріалознавства, з основними механічними властивостями металів і сплавів та методами їх випробування.

1 Предмет і зміст курсу.

2 Знайомство з рекомендованою літературою.

3 Міжпредметні зв’язки курсу технології матеріалів з навчальними дисциплінами за фахом підготовки.

4 Поняття про матеріалознавство, як науку, та її виникнення. Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку цієї науки.

5 Кристалічна будова металів, будова і властивості реальних кристалів.

6 Поняття про агрегатні стани речовин, алотропія.

7 Плавлення металів. Механізм кристалізації металів.

8 Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури і властивостей.

9 Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні.

10 Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження і величин, що їх характеризують.

11 Поняття про пружну і пластичну деформацію.

12 Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг.

13 Особливості різних методів визначення твердості металів.

14 Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів.

Рекомендована література

[1. с. 9 – 45, 54 – 75; 3. с. 9 – 25, 38 – 46; 4. с. 5 – 20; 5. с. 5 – 57; 6. с. 46 – 67]

Предмет і зміст курсу. Технологія матеріалів – комплексна навчальна дисципліна про способи виробництва, переробки та обробки конструкційних матеріалів, що використовуються у всіх галузях народного господарства, зокрема, у суднобудуванні.

Технологія матеріалів включає в себе поняття металургії та механічної обробки матеріалів.

До металургії відносяться виробничі процеси одержання металів, очистки їх від небажаних домішок (рафінування), виробництво сплавів, порошкова металургія, термічна та хіміко-термічна обробка металів і сплавів, обробка тиском, ливарна справа, зварювання та пайка металів, покриття металів шаром іншого металу тощо.

До механічної обробки відносять обробку зі зняттям стружки різальними інструментами (різання різцями, свердлами, фрезами) та без різальних інструментів (лазерна, плазмова, ультразвукова, електроіскрова обробка).

Курс технології матеріалів для спеціальностей судноводіння та енергетики суден передбачає вивчення основних програмних питань, зокрема:

- будову та основні механічні властивості металів, основні методи їх визначення;

- види сплавів, їх будову, маркування, використання;

- поняття про діаграму стану бінарних сплавів, зокрема, залізо-вуглець та використання діаграми для практичних цілей;

- виробництво чавуну, сталі та інших сплавів;

- основи теорії та технологія термічної обробки металів;

- поверхневе зміцнення сталі;

- вивчення технології зварювання металів та обробка металів тиском;

- використання кольорових металів і сплавів та неметалічних матеріалів.

Знайомство з рекомендованою літературою. Перелік літературних джерел досить значний. Та все ж доцільно використати, в основному, наступні підручники та посібники:

1 Сологуб М.А. Технологія конструкційних матеріалів. – К.: Вища школа, 2002. – 374 с.

2 Прейс Г.А. Технология конструкционных материалов. – К.: Выща школа, 1991. – 391 с.

3 Никифоров В.М. Технология металлов и конструкционные материалы. – Л.: Машиностроение, 2005. – 363 с.

4 Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.: Металлургия, 1988. – 320 с.

5 Кузьмин Б.А. Технология металлов и конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2006. – 276 с.

6 Кондратюк С.Е. Металознавство та обробка металів. – К.: ВІКТОРІЯ, 2000. – 372 с.

7 Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.

8 Дальский А.М. Технология конструкционных материалов. – М.: Машиностроение. 2005. – 592 с.

Міжпредметні зв’язки курсу технології матеріалів з навчальними дисциплінами за фахом підготовки. Курс технології матеріалів разом з іншими загальнотехнічними дисциплінами дає можливість курсантам всіх спеціальностей необхідну загальноінженерну підготовку, забезпечує одержання міцного фундаменту знань, необхідних для практичної фахової роботи.

Для засвоєння програмного матеріалу досить суттєвим є навчальна підготовка з фізики, хімії, математики та інженерної графіки. Основні положення та закони з розділів теплоти та механіки курсу фізики є вкрай необхідними знаннями в процесі вивчення технології матеріалів.

Поняття про матеріалознавство, як науку, та її виникнення. Роль вітчизняних та зарубіжних вчених у розвитку цієї науки. Матеріалознавство – наука, що встановлює зв’язок між складом, структурою та властивостями металів і сплавів та вивчає закономірності їх змін при теплових, хімічних, механічних і інших впливах.

Люди познайомились з металами ще в глибоку давнину (золото, срібло, мідь). В середньовіччя були відомі сім металів (золото, срібло, мідь, залізо, свинець, олово, ртуть). До того ж, слід пам’ятати, що рівнем виробництва металів та інших конструкційних матеріалів визначається могутність держави.

Вперше існування зв’язку між будовою сталі і її властивостями було встановлене П.П. Аносовим (1799-1839).

Основи наукового матеріалознавства були закладені відомим російським металургом Д.К. Черновим (1839-1921) та розвинуті Н.С. Курнаковим.

Значний вклад у розвиток матеріалознавства внесли наукові роботи відомих вчених Осмонда (Франція), Юм-Розери и Н. Мотта (Англія), Ф. Зейтца, Е. Бейна і Р. Мейла (США), Таммана і Ганемана (Німеччина) і ін.

Всі метали і сплави прийнято поділяти на дві групи: чорні і кольорові. Найбільше розповсюдження знайшли чорні метали (залізо, нікель, кобальт, марганець та сплави на їх основі).

Кристалічна будова металів, будова і властивості реальних кристалів. Метали – кристалічні тіла. Їх атоми розташовані в геометрично правильному порядку і утворюють кристали. В просторі атоми металів утворюють кристалічну гратку (слайд 1.1-1).

Найбільш розповсюдженими кришталевими братками є: кубічна, кубічна об’ємноцентрована (ОЦК), кубічна гранецентрована (ГЦК) та гексагональна щільно-упакована (ГПУ). У вузлах зазначених ґраток розташовані атоми металів. В реальних умовах геометрична правильність розташування атомів може бути дещо порушеною (структурна недосконалість).

В різних площинах кристалічної ґратки атоми розташовані з різною щільністю і тому певні властивості кристалів в різних напрямках неоднакові. Ця різниця властивостей кристалів зветься анізотропією властивостей. На відміну від кристалів аморфні тіла (скажімо, смоли) мають однакові властивості у всіх напрямках, і тому є ізотропними.

Метали представляють собою полікристалічні тіла, що складаються з великої кількості мілких (1000-0,1 мкм), по різному орієнтованих, кристалів.

Поняття про агрегатні стани речовин, алотропія. Речовина в залежності від змін зовнішніх умов – температура, тиск – може переходити з одного агрегатного стану в інший. Перехід метала із рідкого стану у твердий (кристалічний) називається кристалізацією. У 1878 р. відомий російський вчений Д. К. Чернов встановив, що процес кристалізації складається із двох стадій: зародження центрів кристалізації і росту кристалів з цих центрів.

В процесі росту кристалів при їх дотику утворюються зерна, які повернуті один відносно іншого. Розмір зерен впливає на механічні властивості металу.

Здатність металів у твердому стані мати різну кристалічну будову і, як наслідок, різні властивості при різних температурах, називається алотропією або поліморфізмом. Процес переходу із однієї кристалічної форми в іншу зветься алотропним (поліморфним) перетворенням.

В процесі алотропного перетворення (при охолодженні) виділяється прихована теплота кристалізації і тому на кривій охолодження це алотропне перетворення характеризується горизонтальною ділянкою (привести криву охолодження – слайд 1.1-2).

Плавлення металів. Механізм кристалізації металів. Плавлення металу – це перехід речовини із твердого стану у рідкий при підвищенні температури. Заслуговує на увагу процес переходу із рідкого стану в твердий (утворення кристалів в металах і сплавах – первинна кристалізація), а також перекристалізація у твердому стані (вторинна кристалізація) при їх охолодженні.

Процес кристалізації (плавлення) металу представляють у вигляді кривих в координатах температура – час, який автоматично викреслюється самописцем. Температура, що відповідає будь-якому перетворенню в металі, називається критичною температурою (точкою) фазового перетворення. На кривій охолодження горизонтальна ділянка ав характеризує незмінність температури при продовженні охолодження. Це свідчить про те, що при кристалізації виділяється теплова енергія.

Можливість регулювання процесу кристалізації з метою одержання необхідних структури і властивостей. При утворенні центрів кристалізації від них ростуть первинні осі майбутніх кристалів. Первинні кристали нагадують структуру дерева і одержали назву дендритів. В процесі зростання кристали в певний момент зіштовхуються (торкаються один одного), заважаючи росту один одного в різних напрямках, в наслідок чого одержують випадкову зовнішню форму – зерна. Розмір і кількість зерен в кінці кристалізації залежать від швидкості зародження (кількості центрів) і росту кристалів, які в свою чергу, визначають швидкість охолодження металу, що затвердів. З підвищенням швидкості охолодження число зародків зростає більшій степені, ніж швидкість їх росту, тому розмір зерен в металі зменшується, чим і пояснюється залежність механічних властивостей.

Характеристика основних груп властивостей металів: фізичні, хімічні, механічні і технологічні. У металів виділяють механічні, технологічні, фізичні та хімічні властивості. До фізичних властивостей відносять колір, густину, температуру плавлення, електро- та теплопровідність, теплоємність, магнітні властивості, розширення та стиснення при нагріванні, охолодженні та фазових перетвореннях. До хімічних – окислюваність, розчинність, корозійна стійкість, жаротривкість. До технологічних – прожарюваність (прогартованність), рідкотекучість, ковкість, зварюваність, оброблюваність різанням.

Механічні властивості. Механічні властивості характеризують стан металів при зовнішньому впливу навантаження. До механічних властивостей відносять:

міцність – здатність матеріалу опиратися руйнуванню та появі залишкової деформації під впливом зовнішніх сил;

твердість – здатність матеріалу опиратися впровадженню в нього іншого біль твердого тіла;

пружність – властивість матеріалу відновлювати свою форму після припинення дії зовнішніх сил, що викликали деформацію;

в’язкість матеріалу – його здатність поглинати механічну енергію і при цьому проявляти значну пластичні аж до руйнування;

пластичність – властивість металів, що дає можливість обробляти їх тиском (кувати, прокатувати, волочити).

Поняття про напруги, що виникають у металах при дії на них навантаження. Поняття про пружну і пластичну деформацію. Зовнішнє навантаження створює в металі напругу, рівну відношенню навантаження до площі перерізу випробовуваного зразка. Напруга викликає деформацію металевого зразка – пружну, що зникає після припинення дії сили, або пластичну, що залишається після зняття навантаження.

При надмірній пластичній деформації відбувається руйнування металу. Здатність металу опиратися деформації і руйнуванню характеризують його міцність.

Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг. Міцність металів визначають на спеціальних зразках їх розтягуванням, стисканням, згинанням, крученням. Найчастіше міцність металу характеризується межею міцності при розтягуванні часовим опором σ_в, Па:

σ_в=,

де Р _{в max} – максимальне навантаження, яке витримує зразок перед руйнуванням, Н; F₀ – початковий переріз зразка, м².

Разом з міцністю при розтягуванні визначають і пластичність матеріалу за відносним видовженням:

де l_k – довжина зразка після розриву, мм; l₀ – початкова довжина зразка, мм. Оцінити пластичність металу можна за відносним звуженням площі перерізу ψ:

,

де F₀ – початкова площа перерізу зразка, мм²; F₁ – площа перерізу в місці розриву, мм².

Особливості різних методів визначення твердості металів. Важливою характеристикою металів являється твердість. Твердість визначають різними методами, зокрема, методом Бринелля, методом Роквелла, методом Віккерса, а також шляхом визначення мікротвердості.

За методом Бринелля у плоску поверхню металу під постійним навантаженням Р вдавлюється стальна загартована кулька діаметром D (10; 5; 2.5 мм). В результаті на поверхні зразка залишається відбиток у формі кульового сегмента діаметром d, мм. Число твердості за Бринеллем визначають:

За методом Роквелла твердість визначається за глибиною відбитка. Наконечником служить алмазний конус з кутом при вершині 120^о або стальна кулька діаметром D = 1,58 мм (1/16 дюйма). Стальну кульку використовують для нетвердих матеріалів (до 220 НВ) при навантаженні 981 Н (100 кГ). Попереднє навантаження на індентор становить 98 Н (10 кГ).

Твердість за методом Роквелла HR являється величиною умовною, що характеризує різницю глибин відбитків. Для дуже твердих матеріалів використовують алмазний конус при навантаженні на нього 588 Н (60 кГ).

За методом Віккерса, де в якості індентора використовують алмазну чотиригранну піраміду з кутом при вершині 136^о, при навантаженні на неї від 1 до 100 кГ, можна визначати твердість як м’яких, так і дуже твердих металів і сплавів.

Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів. Технологічні властивості визначають за технологічними пробами, що дозволяють одержати якісну оцінку придатності металів до різних видів обробки (наприклад, глибокої штамповки-витяжки та ін.). До таких випробувань (проб) належать випробування (проби) на: видавлювання, перегин, осідання, іскру, зварюваність.

Дата добавления: 2014-01-11