ДЕРЖАВНого ВИЩого НАВЧАЛЬНого ЗАКЛАДу

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра ІНЖЕНЕРНОЇ МЕХАНІКИ

МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

Для студентів навчального напряму "Гірництво"

Затверджено на засіданні

кафедри Інженерної механіки

протокол №3 від 08.10.2009р.

Затверджено на навчально-

видавничій Раді Дон НТУ

протокол № від . .2009р.

УДК 669.01(075)

Матеріалознавство: Конспект лекцій. Для студентів навчального напряму 6.050301 "Гірництво" / Горячева Т.В., Бабенко М.О. – Красноармійськ: КІІ Дон НТУ, 2009. – 86 с.

Розглянуті фізичні основи будови матеріалів, фази та фазові перетворення, що відбуваються в матеріалах. Дана характеристика властивостей матеріалів, приводяться методи визначення механічних властивостей матеріалів при різних видах навантаження та методи керування ними: процеси кристалізації, пластичної деформації, термічної обробки. Приведені необхідні відомості про конструкційні металеві та неметалеві матеріали, їх характеристика та надаються приклади використання в промисловості.

Конспект лекцій призначений для студентів навчального напряму "Гірництво". Може бути корисним для студентів при вивченні дисципліни Конструкційні матеріали.

Укладачі: Т.В. Горячева

М.О. Бабенко

Відповідальний за випуск С.О.Вірич

@ Горячева Т.В., Бабенко М.О.

Красноармійськ, КІІ ДонНТУ, 2008

Зміст лекційного курсу „Матеріалознавство”

Розділ І. Основні поняття про будову структуру та властивості матеріалів

Розділ ІІ. Конструкційні матеріали

Розділ І. Основні поняття про будову, структуру

та властивості матеріалів

Лекція 1

1. Основні поняття, значення, мета та задачі курсу.

Матеріалознавство відноситься до числа основоположних дисциплін для інженерних спеціальностей. Це пов'язано з тим, що отримання, розробка нових матеріалів, способи їх обробки є основою сучасного виробництва і багато в чому визначають рівнем свого розвитку науково-технічний і економічний потенціал країни. Проектування раціональних, конкурентноздатних виробів, організація їх виробництва неможливі без достатнього рівня знань в області матеріалознавства. Матеріалознавство є основою для вивчення багатьох спеціальних дисциплін.

Різноманітність властивостей матеріалів є головним чинником, що зумовлює їх широке застосування в техніці. Матеріали мають відмінні один від одного властивості, причому кожні залежить від особливостей внутрішньої будови матеріалу. У зв'язку з цим матеріалознавство як наука займається вивченням будови матеріалу в тісному зв'язку з їх властивостями.

Від властивостей матеріалів залежить конструкційна міцність виробів під впливом експлуатаційних навантажень. Вчення про міцність і руйнування є однією з найважливіших складових частин матеріалознавства. Воно є теоретичною основою для вибору відповідних конструкційних матеріалів для деталей різного цільового призначення і пошуку раціональних способів формування в них необхідної міцності для забезпечення надійності і довговічності виробів.

Основними матеріалами, що використовуються в машинобудуванні, є і ще довго залишатимуться метали і їх сплави. Тому основною частиною матеріалознавства є металознавство, в розвитку якого, ведучу роль зіграли російські учені: Аносов П.П., Чернов Д.К., Курнаков Н.С., Гуляев А.П. і інші.

Матеріалознавство – це наука, що вивчає в загальному зв’язку склад, будову, структуру і властивості матеріалів, а також закономірності їх зміни під тепловими, хімічними, механічними та іншими впливами.

В інженерній практиці для розв’язання багатьох технічних задач необхідно засвоїти основні поняття матеріалознавства.

Матеріал – речовина, призначена для виготовлення будь чого.

У виробничих процесах матеріали розглядають в залежності від їх призначення як основні та допоміжні.

Основні матеріали безпосередньо витрачаються на виготовлення продукції і складають її головний речовий склад.

Допоміжні матеріали застосовуються для виробництва продукції, але які не входять до її складу.

Склад матеріалу – кількісна характеристика вмісту в ньому компонентів. Склад розрізняють за природою компонентів. Так розглядають хімічний, мінеральний склад.

Хімічний склад – кількісна характеристика вмісту в матеріалі хімічних елементів чи їх сполук.

Мінеральний склад – кількісна характеристика вмісту мінералів в матеріалі чи корисних копалинах.

Будова матеріалу – сукупність стійких зв’язків речовини, що забезпечують його цілісність і тотожність самому собі, тобто забезпечення його властивостей.

Структура матеріалу – форма, розміри та характер взаємного розташування утворюючих матеріал компонентів.

Властивості матеріалу – признак, який складає відмітну особливість даного матеріалу.

Метою вивчення "Матеріалознавства" є встановлення зв’язків складу, будови і структури матеріалів з їх властивостями і на цій основі формування і забезпечення необхідних властивостей. Основна практична задача матеріалознавства в галузі гірничої справи – вибір матеріалу, що має заданий комплекс властивостей, та його раціональне використання для підвищення ефективності технологічних процесів гірничого виробництва.

2. Загальні вимоги, що ставляться до матеріалів

Можливість використання матеріалу визначається його складом, будовою, структурою, і як наслідок властивостями. Вимоги, що ставляться до матеріалів в промисловості в залежності від умов їх використання, експлуатації чи споживання, визначаються поняттям якість матеріалу.

Якість матеріалу – це сукупність його властивостей забезпечувати його придатність задовольняти певні потреби у відповідності з його призначенням.

Якість матеріалу залежить від комплексу хімічних, фізичних і біологічних властивостей, а також від відповідності їх функціональним, гігієнічним, ергономічним, естетичним і економічним вимогам. Від якості залежить призначення та термін придатності, експлуатації матеріалу.

Якість матеріалу визначається системою показників, які встановлюють шляхом дослідження та випробувань.

Якість промислової продукції залежить від багатьох факторів: вихідної сировини і матеріалів, конструкції виробів, технологічної обробки, рівня стандартизації, а також пакування, транспортування та збереження. Безпосередній вплив на формування якості продукції мають перші три фактори.

Вихідна сировина. Сировина – це різні речовини, що використовують для виробництва продукції. Ці речовини розрізняють по хімічному складу та походженню. Знання природи, будови та властивостей вихідної сировини дозволяє судити про властивості і особливості готових виробів.

Конструкція виробів є важливим фактором при визначенні споживчої вартості готових виробів. Вана включає форму, розмір, способи з'єднання та взаємодії деталей та вузлів виробу, співвідношення між окремими елементами та інше.

Технологічна обробка – це певні дії з сировиною чи матеріалами, які формують властивість та якість виробу. При цьому вихідна сировина піддається механічній, термічній, хімічній чи комплексній обробці.

3. Загальна класифікація матеріалів.

Під класифікацією розуміють розподіл матеріалів, виробів, властивостей чи явищ на окремі види, групи, підгрупи чи інші категорії. Признаками класифікації матеріалів можуть бути походження, форма, розмір, колір, властивості, призначення, спосіб отримання чи інше. Сучасне поширення отримала галузева класифікація матеріалів, тому що в її основу покладено найменування галузі народного господарства, що безпосередньо пов’язана з виробництвом даного матеріалу. В Державній системі стандартизації прийнята така класифікація матеріалів (витримка з стандарту):

1. Корисні копалини;

2. Нафтові продукти;

3. Метали;

4. Електротехнічні матеріали;

5. Будівельні матеріали;

6. Силікатно-керамічні та

вуглецеві матеріали;

7. Хімічні продукти, гумові та азбестові вироби;

8. Хімічні волокна, полімери, пластмаси;

9. Текстильні, шкіряні матеріали

10. Лісоматеріали, целюлоза, картон,

папір;

Однак дана класифікація не дає можливості встановити взаємозв'язок складу, будови, структури та властивостей матеріалів і часто ускладнює визначення належності матеріалу до той чи іншої групи.

Найбільші можливості для розв’язання задач матеріалознавства дає класифікація матеріалів за їх агрегатним станом в нормальних умовах, їх походженням, природою та будовою:

Системна класифікація матеріалів

за агрегатним станом: тверді рідкі газові плазма

за походженням: природні штучні

органічні неорганічні

по хімічному складу: одно- багатокомпонентні сплави

одно- багатокомпонентні розчини

по виду утворених часток: атомні іонні молекулярні

по атомній (молекулярній) будові: кристалічні аморфні полімерні

по структурі: однофазні багатофазні композиційні

за фізичною природою: провідники напівпровідники діелектрики

нормальні розчини рідкі кристали

Лекція 2

4. Загальна будова матеріалів.

4.1. Типи самоврядування часток в матеріалі.

Будова матеріалів визначається характером сил взаємодії між його структурними частинками (атомами, молекулами або іонами). Ці сили визначають об'єм фізичного тіла. Зміна характеру і величини цих сил приводить до зміни агрегатного стану речовини.

Взаємодія структурних частинок речовини, що обумовлює його внутрішню будову, називається зв'язком. В матеріалах можуть реалізовуватися наступні види хімічного зв'язку:

- ковалентний – здійснюється парою електронів, що знаходяться в сумісному володінні двох атомів, утворюючих зв'язок (Н₂, Сl₂, Н₂О, NH₃);

- іонний зв'язок – заснований на електростатичній взаємодії між протилежно зарядженими іонами. Іонний зв'язок характерний для з'єднань металів з типовими металоїдами (NaCl, Al₂O₃);

- металевий зв'язок – викликається наявністю вільно рухомих електронів, що здійснюють колективну взаємодію атомів і утримуючих їх на певних відстанях один від одного. Характерний як для чистих металів, так і для металевих сплавів;

- водневий зв'язок – зв'язок атомів компонентів А і В за участю атома водню;

- молекулярний зв'язок характеризується взаємодією нейтральних молекул (або атомів) на основі слабих електростатичних сил. Молекулярний зв'язок характерний для атомів з електронними оболонками, що відносно легко деформуються, і для тих, що об'єдналися в молекули атомів, здібних до деформації зовнішніх з'єднаних оболонок (більшість полімерів, органічних речовин).

Спільним для будови всіх матеріалів є прагнення до самоорганізації (впорядкованого розташування) всіх часток, що є прямим наслідком основного закону природи: стійким є такий стан системи, при котрому її енергія буде мінімальна. Утворення кристалів чи молекул з ізольованих атомів чи багатоатомних груп пов’язане зі зниженням енергії системи, і як наслідок, збільшенням її стійкості.

Самоорганізація речовин може бути представлена як впорядкування його структурних часток. Впорядкування на відстанях, порівняльних з міжатомними, називається ближнім порядком, а впорядкування на необмежено великих відстанях – дальнім порядком. Наявність виду впорядкування обумовлено силами міжатомної взаємодії.

4.2. Фази та фазові перетворення.

Характеристика матеріалів за їх агрегатним станом не дозволяє враховувати алотропію чи поліморфізм матеріалів.

Алотропія – це існування хімічних елементів у вигляді двох чи більш простих речовин (наприклад: кисень О₂ – озон О₃ ).

Поліморфізм – здатність одного й того ж матеріалу мати різну кристалічну будову. Кожен зі станів називається поліморфна модифікація. Позначають поліморфні модифікації – α, β, γ, δ… із збільшенням температури. Різниця в будові поліморфних модифікацій матеріалу зумовлює різницю їх властивостей. Поліморфізм має велика кількість матеріалів: кварц, вуглець, залізо, титан тощо. Поліморфна модифікація стійка в області визначених температур і тиску, поза якими вона стає нестійкою і потерпає перетворення, що називається поліморфним.

Для однозначної характеристики речовин з врахуванням його можливих поліморфних модифікацій необхідно описувати особливості його атомної (молекулярної) будови. Таку можливість дає використання поняття – фаза.

Фаза – термодинамічний рівноважний стан матеріалу (речовини), який характеризується агрегатним станом, атомним складом і будовою, і відділений границями від інших станів (фаз) того ж матеріалу.

Кожен матеріал складається з однієї чи більше фаз (твердих, рідких чи газових) і однозначно характеризується фазовим складом, що утворюється внаслідок зміни енергії системи за різних обставин. Зміни в фазовому складі матеріалу викликаються фазовими перетвореннями.

Фазове перетворення (перехід) – перетворення матеріалу з однієї фази в іншу при зміні зовнішніх умов температури, тиску, магнітних чи електричних полів та інш. Причому значення фізичної величини при якому відбувається фазовий перехід, називають точкою фазового перетворення (переходу).

Фазові перетворення розглядаються по характеру їх протікання як перетворення першого і другого роду.

Фазові перетворення першого роду – при яких деякі фізичні величини (щільність) чи термодинамічні характеристики змінюються стрибком, і при цьому виділяється чи поглинається теплота фазового перетворення. До цього виду перетворень відносять випарювання – конденсацію, плавлення – затвердіння, сублімація – конденсація в тверду фазу, та деякі структурні переходи в твердих тілах.

Фазові перетворення другого роду – при яких щільність, ентропія та термодинамічні потенціали не змінюються стрибкоподібно, а теплоємкість розширення фаз змінюються стрибком. До фазових перетворень другого роду відносять: перетворення парамагнетик – феромагнетик, перехід в над провідниковий стан, поляризація речовини, при цьому теплота не виділяється.