Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями фгос впо подготовки выпускников по направлениям 151000. 62 «Технологические машины и оборудование»
Скачать 1.81 Mb.
|
| МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОУВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Ю. П. ЗЕМСКОВ, Ю. С. ТКАЧЕНКО, Л. Б. ЛИХАЧЕВА, Б. Н. КВАШНИН МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Утверждено редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия  ___________________ ВОРОНЕЖ 2011 УДК 620 22 (076.5) ББК Ж3я7 З-55 Научный редактор профессор Г. В. ПОПОВ Р е ц е н з е н т ы: кафедра материаловедения и физики металлов Воронежского государственного технического университета; д–р техн. наук, А. С. ОРЛОВ (Воронежский государственный архитектурно-строительный университет) Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежской государственной технологической академии ^ Материаловедение. Курс лекций [Текст] : учебное З-55 пособие /Ю. П. Земсков, Ю. С. Ткаченко, Л. Б Лихачева, Б. Н. Квашнин. Воронеж. гос. химико-технол. университет. – Воронеж: ВГТА, 2011. – 192 с. ISBN 978-5-89448-819-6 Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВПО подготовки выпускников по направлениям 151000.62 – «Технологические машины и оборудование» (профили «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий), 220700.62 – «Автоматизация технологических процессов», 221700 – «Метрология и стандартизация», 240100 – « » . Предназначены для закрепления теоретических знаний дисциплин циклов ОПД и Б3
© Земсков Ю. П., Ткаченко Ю. С., Лихачева Л. Б., Квашнин Б. Н. 2011 ISBN 978-5-89448-819-6 © ГОУВПО «Воронеж. гос. химико-технол. университет», 2011 Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежской государственной технологической академии, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия академии запрещается. ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Материаловедение» относится к циклу базовых и общепрофессиональных дисциплин для подготовки выпускников по направлению 151000.62 – «Технологические машины и оборудование» (профили «Машины и аппараты пищевых производств» и «Пищевая инженерия малых предприятий), 220700 – «Автоматизация технологических процессов» и специальностям 260601.65 - «Машины и аппараты пищевых производств» и 260602.65 - «Пищевая инженерия малых предприятий, 220301 – «Автоматизация технологических процессов и производств». Целью изучения дисциплины является подготовка студентов и бакалавров к производственно-технологической, научно-исследовательской и проектной деятельности. Задача дисциплины – изучение строения материалов, их физико-механических свойств, термической обработки, а также закономерностей, действующих в процессе изготовления продукции машиностроительного производства, с целью использования их для обеспечения требуемого качества машин и наименьшей себестоимости. Учебное пособие предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины и выработки практических навыков инженерной работы, связанной с изготовлением и разработкой машин. Пособие содержит 15 лабораторных работ, каждая из которых снабжена краткими теоретическими сведениями, методическими указаниями по порядку ее выполнения, а также списком контрольных вопросов для проверки полученных знаний. Тема 1. ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. ^ 1.1. Структура материалов. Материаловедением называют прикладную науку о связи состава и строения материалов с их свойствами. Решение важнейших технических проблем, связанных с экономией материалов, уменьшением массы машин и приборов, повышением точности и надежности и работоспособности механизмов и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах, которая стимулирует появление новых технических идей. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем. Электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и нейтронография позволяют изучать элементы кристаллической структуры, ее дефекты, закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температура, давление и др.). Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований. Большой вклад в развитие науки о материалах внесли российские ученые. П.П. Аносов (1799 – 1851 гг.) впервые установил связь между строением стали и ее свойствами. Д.К. Чернов (1839 – 1921 гг.), открывший полиморфизм стали, всемирно признан основоположником научного металловедения. Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и классификации сложных фаз в металлических сплавах имели работы Н.С. Курнакова (1860-1941 гг.) и его учеников. Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами С.С. Штейнберга (1872 – 1940 гг.), Н.А. Минкевича (1883 – 1942 гг.). Исследованию механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены работы крупных советских ученых С.Т. Конобеевского, А.А. Байкова, Г.В. Курдюмова, В.Д. Садовского, А.А. Бочвара, С.Т. Кишкина, Н.В. Агеева и многих других. Работы крупнейшего русского химика А.М. Бутлерова (1828 – 1886 гг.) по теории химического строения органических соединений, создали научную основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ С.В. Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели структурные исследования В.А. Каргина и его учеников. Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых сплавов внесли А. Ле-Шателье (Франция), Р. Аустен (Англия), Ф. Осмонд (Франция) и др. Важнейшие рентгеноструктурные исследования сплавов провели М. Лауэ и П. Дебай (Германия), У.Г. Брэгг и У.Л. Брэгг (Англия). Широко известны работы Э. Бейна, Р. Мейла (США) и Велера (Германия) в области теории фазовых превращений в сплавах. Над созданием полимерных материалов работали К. Циглер (ФРГ) и Д. Натта (Италия). Закономерное расположение атомов в кристалле описывается кристаллической решеткой, т. е. трехмерным, периодически повторяющимся расположением атомов во всем объеме кристалла. Элементарный, т. е. наименьший объем, который характеризует особенности строения кристалла данного металла, называется элементарной ячейкой. Ячейки или кристаллические решетки характеризуются симметрией, периодами решетки, координационными числами, базисами и коэффициентами компактности решетки. Существует 7 видов симметрии (триклинная, моноклинная, ромбическая, ромбоэдрическая, гексагональная, тетрагональная, кубическая) и 14 видов элементарных ячеек. Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих кристаллических решеток:
Элементарные ячейки этих трех типов решеток показаны на рис. 1.1. П  ериодом кристаллической решетки называется расстояние между центрами двух соседних атомов, расположенных вдоль осей элементарной ячейки. У большинства металлов периоды решеток находятся в пределах от 2,510-10 м до 5,510-10 (от 2,5 Å до 5,5 Å).Рис. 1.1. Элементарные ячейки кристаллических решеток металлов: а – ОЦК; б – ГЦК; в – ГПУ; жирными линиями выделены плотноупакованные плоскости Координационным числом (К) называется количество атомов, находящихся на наиболее близком и одинаковом расстоянии от любого произвольно выбранного атома кристаллической решетки. Для ОЦК решетки К = 8, для ГЦК и ГПУ решетки К = 12. Таким образом, ГЦК и ГПУ кристаллические решетки являются плотноупакованными и их можно представить в виде последовательного чередования плотноупакованных плоскостей. При последовательности плотноупакованных плоскостей АВАВ… (рис 1.2, а) образуется ГПУ решетка, а при последовательности АВСАВС… (рис. 1.2, б) – ГЦК.  Рис. 1.2. Последовательности чередования плотноупакованных плоскостей: а – для ГПУ решетки; б – для ГЦК Базисом решетки называют количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку. При этом надо иметь в виду, что атомы в углах ячеек принадлежат одновременно 8 ячейкам, атомы, расположенные в центрах граней – двум ячейкам. Тогда базис ОЦК решеток равен 2, базис ГЦК составляет 4, базис ГПУ равен 6. ^ определяется отношением объема, занимаемого атомами с условно сферической формой ко всему объему ячейки. Для ОЦК решеток коэффициент компактности равен 0,68, для ГЦК и ГПУ составляет 0,74. 1.1.1. Полиморфизм Для одной и той же подгруппы периодической системы элементов металлы кристаллизуются, как правило, с образованием элементарной ячейки одинакового типа. Например, большинство щелочных металлов имеют ОЦК решетку, щелочноземельных – ГПУ решетку. Однако для некоторых металлов характерно существование двух и даже трех типов кристаллических решеток при различных температурах или давлениях. Это явление называется полиморфизмом, а кристаллические структуры – аллотропическими формами или модификациями. Низкотемпературную модификацию называют , высокотемпературные - , , и т. д. Температурным полиморфизмом обладают около 30 металлов. Например, железо до 911 С и выше 1392 С имеет ОЦК структуру, а от 911 С до 1392 С – ГЦК структуру. Титан до 882 С имеет ГПУ структуру, а выше – ОЦК структуру. Кобальт при 477 С претерпевает полиморфное превращение из ГПУ структуры в ГЦК структуру. Быстрое охлаждение может сохранить высокотемпературную модификацию в течение длительного времени при температурах 20-25 С, так как низкая диффузионная подвижность атомов при таких температурах не способна вызвать перестройку решетки. Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до температуры 2000 С и давлении 1010 Па углерод в форме графита перекристаллизуется в алмаз. При очень больших давлениях в железе обнаружена низкотемпературная модификация с гексагональной решеткой ГПУ. Полиморфные превращения в чистых металлах происходят при постоянной температуре и сопровождаются тепловым эффектом – выделением теплоты, если превращение идет при охлаждении, и поглощением теплоты при нагреве. Полиморфные превращения происходят не только в чистых металлах, но и в сплавах и сопровождаются скачкообразным изменением свойств: удельного объема, теплоемкости, теплопроводности, электропроводности, магнитных, механических и химических свойств. В результате полиморфного превращения образуются новые кристаллические зерна, имеющие другой размер и форму. Поэтому такое превращение также называют перекристаллизацией. Если нагрев металла проведен до температуры, немного превышающей температуру полиморфного превращения (критической точки), получается очень мелкое зерно. Это используется для измельчения крупного зерна, полученного при кристаллизации из жидкого состояния или предварительном нагреве до высоких температур. 1.1.2. Строение реальных кристаллов Строение реальных кристаллов отличается от идеальных наличием в них дефектов, нарушающих правильное расположение атомов во всем объеме кристалла. Дефекты в кристаллах обычно характеризуют размерностью. По этому признаку дефекты делят на четыре группы: точечные, линейные, поверхностные и объемные. Точечные дефекты. Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, и размеры их не превышают нескольких атомных диаметров. К самым простым точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы основного вещества, чужеродные атомы внедрения (рис. 1.3).  Рис. 1.3. Точечные дефекты в кристаллической решетке: а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения Вакансией (дефектом Шоттки) называется пустой узел кристаллической решетки. ^ (дефектом Френкеля) называется атом, перемещенный из узла в позицию между узлами. Вакансии и межузельные атомы появляются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов. Каждой температуре соответствует равновесная концентрация вакансий, а также межузельных атомов. В плотноупакованных решетках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому в металлах очень трудно возникают межузельные атомы и основным точечным дефектом являются тепловые вакансии. Например, в меди при температуре 20…25 С содержится 10-13 ат. % вакансий, а вблизи точки плавления – уже 0,01 ат. %. Пресыщение точечными дефектами достигается при резком охлаждении после высокотемпературного нагрева, при пластическом деформировании и при облучении нейтронами. В последнем случае концентрация вакансий и межузельных атомов одинакова: выбитые из узлов решетки атомы становятся межузельными атомами, а освободившиеся узлы становятся вакансиями. С течением времени избыток вакансий сверх равновесной концентрации уничтожается на свободных поверхностях кристалла, порах, границах зерен и других дефектах решетки. Вакансии являются подвижными дефектами кристаллической решетки и ускоряют все процессы, связанные с перемещением атомов: диффузию, спекание порошков и т. д. Все виды точечных дефектов искажают кристаллическую решетку и, в определенной мере, влияют на физические свойства. В технически чистых металлах точечные дефекты повышают электрическое сопротивление, а на механические свойства практически не влияют. Лишь при больших концентрациях дефектов в облученных металлах понижается пластичность, и заметно изменяются другие свойства. 1.1.3. Линейные дефекты. Важнейшими видами линейных дефектов кристаллической решетки являются краевые и винтовые дислокации (рис. 1.4), движение которых определяет пластическое деформирование кристаллических материалов. Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экстра плоскости (рис. 1.4, а). Линия дислокации соответствует краю экстра плоскости.  Рис. 1.4. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций Вокруг дислокации кристаллическая решетка упруго искажена. Мерой искажения служит так называемый вектор Бюргерса  . Он получается, если обойти замкнутый контур в идеальном кристалле, переходя от узла к узлу, а затем этот же путь повторить в реальном кристалле, заключив дислокацию внутрь контура. В реальном кристалле контур окажется незамкнутым. Вектор, который нужен для замыкания контура, называется вектором Бюргерса. У краевой дислокации вектор Бюргерса равен межатомному расстоянию и перпендикулярен дислокационной линии, у винтовой дислокации – параллелен ей. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | З 55 [Текст] : учебное пособие / Л. Б лихачева, Ю. С. Ткаченко, Воронеж гос технол акад. – Воронеж: вгта, 2011. – 128 с | | Для направления (профиля) подготовки бакалавров 151000 Технологические машины и оборудование, 190600 Эксплуатация транспортно-технологических... |
| З – 55 пособие / Ю. П. Земсков, Л. Б. Лихачева, Ю. С. Ткаченко; Воронеж гос технол акад. – Воронеж : вгта, 2009. – 128 с | | Программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций и Прооп впо по направлению и профилю подготовки... |
| Если все задания выполнены без ошибок, то студент допускается к защите этих работ, которая происходит во время экзаменационной сессии... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки |
| Настоящая программа составлена в соответствии с требованиями фгос впо с учетом рекомендаций Примерной основной образовательной программы... | | Учебно-методический комплекс дисциплины составлен в соответствии с требованиями фгос впо по направлению подготовки |
| Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – с (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 2-е., переработанное.... | | Григорьев А. В. Егэ по обществознанию. Практика – в (учебное пособие для выпускников и абитуриентов). – Изд. 3-е., переработанное.... |