Курс лекций Технология конструкционных материалов Презентация 2 ОСНОВНЫЕ

Курс лекций «Технология конструкционных материалов» Презентация 2 ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ МГТУ имени Н. Э. БАУМАНА, кафедра МТ-13, доцент, к. т. н. Кочешков Игорь Владимирович

В ЭТОЙ ЛЕКЦИИ РАССМОТРЕНО: • Понятие материала и особенности его структуры; • Факторы, определяющие материалов; свойства • Основные виды конструкционных материалов и методы получения из них изделий; 2

Определения, которые необходимы для формирования понятия «МАТЕРИАЛ» • АТОМ или ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ - наименьшая часть вещества, которую можно получить путем его расчленения химическим способом. В природе существуют в виде простого или сложного вещества. • ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО – состоит из атомов одного химического элемента, а СЛОЖНОЕ ВЕЩЕСТВО – из атомов различных химических элементов. Например, кислород или водород, простое вещество, а вода – сложное вещество. • ЭЛЕМЕНТ СТРУКТУРЫ - минимальная часть сложной системы, далее неделимый, который образуется в результате ее расчленения определенным способом /атом или ион, молекула, кристаллит (мелкий кристалл или кристаллическое зерно), фаза …/. • ФАЗА (термодинамическая) - однородная по свойствам часть системы, отделенная от других однородных частей поверхностями раздела, при пересечении которых скачком изменяются состав, структура и некоторые свойства. Однофазный материал состоит из какого-то одного вещества (простого, сложного). Двух- и многофазный материал образуется отдельными объемами разных веществ, отделенных друг от друга указанными выше поверхностями раздела. • КОМПОНЕНТ – составная часть материала: элемент, вещество, фаза, исходный материал. 3

ФАЗА КОНДЕНСАЦИЯ (ДЕСУБЛИМАЦИЯ) СУБЛИМАЦИЯ ПРИМЕР ФАЗ В ВИДЕ РАЗНЫХ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ ВЕЩЕСТВА 4

ПРИМЕР СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ С РАЗНЫМИ ФАЗАМИ ЧУГУН С ФАЗОЙ В ВИДЕ ГРАФИТА РАЗНОЙ ФОРМЫ А В СПЛАВ – МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ С ЗЕРНАМИ-КРИСТАЛЛАМИ ТИПА «А» и «В» (ФАЗА «А» и «В» ) 5

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ это вещество или смесь веществ, предназначенных для определенных целей ОПТИЧЕСКИЙ СМАЗОЧНЫЙ И Т. Д. ЛАКОКРАСОЧНЫЙ 6

ЧТО ОПРЕДЕЛЯЕТ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ ? СОСТАВ – совокупность отдельных структурных элементов, материал, с описанием количества и т. д. образующих их качества, ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И/ИЛИ ОБРАБОТКИ СТРУКТУРА (строение) – внутреннее устройство чего – либо. Взаимное расположение структурных элементов материала и их характер связи. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА 7

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ ПО УПОРЯДОЧЕННОСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ АТОМОВ (А – аморфная; К – кристаллическая) КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ: . • имеет упорядоченное, в виде кристаллической решетки, расположение атомов; • обладает минимумом внутренней энергии; • остается твердым телом до определенной температуры плавления ; • обладает АНИЗОТРОПИЕЙ (зависимость свойств от направления). Кр Ам АМОРФНАЯ: • имеет неупорядоченное расположение атомов, характерное для жидкости; • обладает избыточной внутренней энергией; • размягчается в большом температурном интервале (переход в жидкое состояние через вязкое); • обладает ИЗОТРОПИЕЙ (независимость свойств от направления). 8

ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА ОДНОРОДНОСТЬ СВОЙСТВ • АНИЗОТРОПИЯ – ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ КРИСТАЛЛА ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ИЗ-ЗА УПОРЯДОЧЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ЧАСТИЦ (кристаллы и поликристаллы, в которых отдельные кристаллы – зерна имеют близкую или одинаковую ориентацию кристаллографических плоскостей и направлений). • ИЗОТРОПИЯ – ОТСУТСТВИЕ ЗАВИСИМОСТИ СВОЙСТВ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ (характерно для аморфных материалов и поликристаллов с кристаллами-зернами, в которых кристаллографические плоскости и направления ориентированы случайным образом); 9

КЛАССИФИКАЦИЯ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА ПО ТИПУ СВЯЗИ: • Молекулярная; • Ионная; • Ковалентная; • Металлическая. 10

МОЛЕКУЛЯРНАЯ СВЯЗЬ (действуют силы Ван-дер-Ваальса 1. Образование диполей при сближении атомов/молекул 2. Схема молекулярного кристалла метана 11

12

ЗНАЧЕНИЕ Есв ДЛЯ КРИСТАЛЛОВ С РАЗНЫМ ТИПОМ КРИСТАЛЛ Ar Есв 7, 5 (к. Дж/моль) ТИП СВЯЗИ CH 4 Na Fe Na. Cl СВЯЗИ Li. F (C) Si. C Алмаз 10 Молекулярная 110 390 Металлическая 750 1000 Ионная 750 1180 Ковалентная 13

ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ОТ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ АТОМОВ СХЕМЫ СТРОЕНИЯ РАЗНЫХ МОДИФИКАЦИЙ УГЛЕРОДА: а – АЛМАЗ; b – ГРАФИТ; с – ЛОНСДЕЙЛИТ; d, e, f - ФУЛЛЕРЕНЫ (С 60, С 540, С 70); g – АМОРФНЫЙ УГЛЕРОД (сажа …); h – УГЛЕРОДНАЯ НАНОТРУБКА. 14

ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ОТ РАЗМЕРА ЗЁРЕН, А ТАКЖЕ ОТ ФОРМЫ И РАЗМЕРА ФАЗ ПРОЧНОСТЬ ИЛИ ТВЕРДОСТЬ НАНОСТРУКТУРНЫЙ МАТЕРИАЛ ЗЕРНО МАТЕРИАЛ С РАЗНЫМ РАЗМЕРОМ ЗЕРНА МЕЛКОЗЕРНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ АМОРФНЫЙ МАТЕРИАЛ КРУПНОЗЕРНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ СРЕДНИЙ РАЗМЕР ЗЕРНА ЧУГУН С ФАЗОЙ В ВИДЕ ГРАФИТА РАЗНОЙ ФОРМЫ 15

КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Конструкционные материалы - это материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. МЕТАЛЛЫ НЕМЕТАЛЛЫ КОМПОЗИТЫ 16

МЕТАЛЛЫ – ВЕЩЕСТВА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СВЯЗЬЮ АТОМОВ, ИМЕЮЩИХ, КАК ПРАВИЛО, КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ОБЛАДАЮЩИХ СЛЕДУЮЩИМИ ХАРАКТЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ: • ВЫСОКОЙ ПЛАСТИЧНОСТЬЮ; • СПОСОБНОСТЬЮ ХОРОШО ОТРАЖАТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ (БЛЕСК И НЕПРОЗРАЧНОСТЬ); • ВЫСОКОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ; • ВЫСОКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ. 17

ОСАЖДЕНИЕ ИЗ ПАРОГАЗОВОЙ ФАЗЫ ГАЛЬВАНОТЕХНИКА ЛИТЬЁ ЭЛЕКТРОФИЗ. И ЭЛЕКТРОХИМ. ОБР-КА ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ ФОРМОВАНИЕ ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ 18

КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ПО АГРЕГАТНОМУ СОСТОЯНИЮ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗАГОТОВОК В ПАРОГАЗОВОЙ ФАЗЕ: • ФИЗИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ. В ЖИДКОЙ ФАЗЕ: • ЛИТЬЁ; • СВАРКА ПЛАВЛЕНИЕМ; • ГАЛЬВАНОТЕХНИКА; • ЭЛЕКТРОЭРРОЗИОННАЯ ОБРАБОТКА; • ……. . В ТВЕРДОЙ ФАЗЕ: • ОБРАБОТКА ДАВЛЕНИЕМ; • ОБРАБОТКА РЕЗАНИЕМ; • ФОРМОВАНИЕ; • …… 19

КЛАССИФИКАЦИЯ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ КЕРАМИКА СТЕКЛО ПОЛИМЕРЫ 20

КЕРАМИКА – ВЕЩЕСТВА С ИОННОЙ ИЛИ КОВАЛЕНТНОЙ СВЯЗЬЮ АТОМОВ (ОКСИДЫ, НИТРИДЫ, КАРБИДЫ, БОРИДЫ), ИМЕЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ С ПРИСУТСТВИЕМ ПРОСЛОЕК АМОРФНОЙ ФАЗЫ И ОБЛАДАЮЩИХ СЛЕДУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ: • ВЫСОКОЙ ХРУПКОСТЬЮ • ХОРОШЕЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ; • ХОРОШИМИ ОГНЕУПОРНЫМИ СВОЙСТВАМИ; • ХОРОШИМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ; • НИЗКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ; • ПЛОТНАЯ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА ИМЕЕТ ВЫСОКИЕ ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА. 21

Классическая технология получения изделий из керамики: • Получение порошков; • Изготовление формовочной массы, смешиванием порошков и технологической связки для снижения трения между частицами; • Формование заготовки методом полусухого прессования, пластического прессования или литья; • Удаление технологической связки из заготовки (сушка); • Обжиг заготовки и получение керамического изделия в процессе спекания керамики. 22

АМОРФНОЕ СТЕКЛО - обладает особой структурой аморфного вещества, образующегося при охлаждении расплава компонентов, среди которых, хотя бы один, является стеклообразующим (Si. O 2, B 2 O 3, P 2 O 5, Ge. O 2. . . ) Структуру оксидных стекол образуют элемент - кислородные полиэдры, аналогичные таковым в кристаллах, но их сочленение не имеет строгого порядка и периодичности, как в кристаллах. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА ЗАНИМАЮТ ЧЕТВЕРТОЕ МЕСТО СРЕДИ МАТЕРИАЛОВ ПО ВЕЛИЧИНЕ ПРИМЕНИМОСТИ В ТЕХНИКЕ И БЫТУ ПОСЛЕ КАМНЯ, БЕТОНА И МЕТАЛЛА. 23

АМОРФНОЕ ОБЛАДАЕТ СЛЕДУЮЩИМИ СТЕКЛО – ХАРАКТЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ: • ВЫСОКОЙ ХРУПКОСТЬЮ И ТВЕРДОСТЬЮ; • ХОРОШИМИ ОПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ; • ХОРОШЕЙ ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТЬЮ; • ВЫСОКОЙ ЗВУКОИЗОЛИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ; • НИЗКОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ; • ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ ПРИ СЖАТИИ И ПРИ РАСТЯЖЕНИИ СТЕКЛОВОЛОКОН ДИАМЕТРОМ 1 -10 мкм. 24

Классическая технология получения изделий из стекла : • Получение шихты (смеси необходимых компонентов); • Варка стекла; • Формование изделий из стекла; • Отжиг изделий из стекла; 25

КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТЕКЛО ! q ПРИ ОПРЕДЕЛЕННОМ СООТНОШЕНИИ Si, O И ДРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ МОЖНО ПОЛУЧАТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТЕКЛО (СТЕКЛОКЕРАМИКУ), КОТОРОЕ НАЗЫВАЕТСЯ – «СИТАЛЛ» q СТРУКТУРА СИТАЛЛОВ ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ СМЕСЬ ОЧЕНЬ МЕЛКИХ (0, 01 - 1 мкм), БЕСПОРЯДОЧНО ОРИЕНТИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ (60 – 9 5%) И ОСТАТОЧНОГО СТЕКЛА (5 - 40%) 26

СИТАЛЛЫ РАЗДЕЛЯЮТСЯ НА: ФОТОСИТАЛЛЫ (для образования центров кристаллизации используют золото, серебро, платину или медь, а также облучение ультрафиолетовым светом и отжиг) ТЕРМОСИТАЛЛЫ (для образования центров кристаллизации используют оксиды или фториды Ti, P, Na и других элементов) 27

СИТАЛЛЫ – ОБЛАДАЕТ СЛЕДУЮЩИМИ ХАРАКТЕРНЫМИ СВОЙСТВАМИ: • ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ; • ВЫСОКОЙ ТВЕРДОСТЬЮ; • ХОРОШЕЙ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬЮ; • МАЛЫМ ТЕРМИЧЕСКИМ РАСШИРЕНИЕМ; • ХИМИЧЕСКОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТЬЮ; • ГАЗО- И ВЛАГОНЕПРОНИЦАЕМОСТЬЮ; • ХОРОШИМИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ. !!!!! Технология получения кристаллического стекла характеризуется наличием этапа его кристаллизации 28

ПОЛИМЕРЫ – материалы, состоящие из химических соединений (молекул) с высокой молекулярной массой. Молекулы полимеров состоят из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев) - от нескольких тысяч до многих миллионов. 29

ПО ПО ХИМИЧЕСКОМУ ПРОИСХОЖДЕНИЮ СОСТАВУ ВИДЫ КЛАССИФИКАЦИИ ПОЛИМЕРОВ ПО ТОПОЛОГИИ МАКРОМОЛЕКУЛЫ ПО ПОРЯДКУ ВЗАИМНОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ 30

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ ПО ПРОИСХОЖДЕНИЮ • ПРИРОДНЫЕ (биополимеры – белки, нуклеиновые кислоты, природные смолы); • СИНТЕТИЧЕСКИЕ (искусственные – полиэтилен, полипропилен, фенолоформальдегидные смолы. 31

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ • ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ. • ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ. Они содержат в основной цепи органических радикалов неорганические атомы (Si, Ti, Al). В природе их нет. Искусственно полученные представители — кремнийорганические соединения. • НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ. Основа – оксиды Si, Al, Mg, Ca и др. Углеводородного скелета нет. К ним относятся керамика, слюда, асбест. 32

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ ПО ТОПОЛОГИИ (по геометрии скелета макромолекулы) • ЛИНЕЙНЫЕ (А) • РАЗВЕТВЛЕННЫЕ (Б, В, Г) • СШИТЫЕ или СЕТЧАТЫЕ (Д, Е) 33

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРНОВ ПО СТЕПЕНИ УПОРЯДОЧЕННОСТИ РАСПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ По взаимному расположению отдельных участков цепей: АМОРФНЫЕ И КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ полимеры. Схема аморфной структуры полимера Схема кристаллита полимера Кристаллический полиэтилен 34

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ БОЛЬШОЙ ДЛИНОЙ И ГИБКОСТЬЮ МАКРОМОЛЕКУЛ ВЫСОКАЯ ЭЛАСТИЧНОСТЬ БОЛЬШАЯ ЖЕСТКОСТЬ И МОДУЛИ УПРУГОСТИ (МАЛЫЕ МОДУЛИ УПРУГОСТИ И БОЛЬШИЕ ОБРАТИМЫЕ ДЕФ-ИИ) ВЫСОКИЕ РАЗРУШАЮЩИЕ УДЛИНЕНИЯ НЕВЫСОКАЯ ПРОЧНОСТЬ (МАЛЫЕ РАЗРУШАЮЩИЕ УДЛИНЕНИЯ И ОБРАТИМЫЕ ДЕФОРМАЦИИ) − + БОЛЬШАЯ ПРОЧНОСТЬ АНИЗОТРОПНЫХ ВОЛОКОН ДОСТАТОЧНО ШИРОК СПЕКТ И ДРУГИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРОВ: ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ФРИКЦИОННЫХ, ХИМИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ, СКЛОННОСТИ К НАБУХАНИЮ, ВЯЗКОТЕКУЧЕСТЬ, ЖАРОСТОЙКОСТЬ … 35

РАЗНООБРАЗИЕ ВИДОВ ПОЛИМЕРОВ И ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ОСНОВЕ: • ПЛАСТИЧЕСКИЕ МАССЫ; • РЕЗИНЫ; • ВОЛОКНА; • ЛАКИ; • КРАСКИ; • КЛЕИ и т. д. ЗАТРУДНЯЕТ ПРИВЕДЕНИЕ ТИПОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИХ 36

«КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ» ОСНОВАНЫ НА СОЗДАНИИ ИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ОБЛАДАЮТ КОМПОЗИЦИЙ, УНИКАЛЬНЫМИ ОТСУТСТВУЮЩИМИ У КОТОРЫЕ СВОЙСТВАМИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ (МАТЕРИАЛОВ). ПРИМЕРЫ: Железобетон и другие ВКМ, композиции (триплекс /слои стекла и Слоистые полимера/, термобиметалл. . . ), Пористые материалы и т. д. 37

ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА 1. НАЛИЧИЕ ДВУХ И БОЛЕЕ КОМПОНЕНТОВ 2. УНИКАЛЬНОСТЬ РЕАЛИЗУЕМЫХ СВОЙСТВ (ОТНОСИТЕЛЬНО СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ) 3. ПОВЕРХНОСТЬ РАЗДЕЛА КОМПОНЕНТОВ: q С РЕЗКИМ ПЕРЕХОДОМ ФАЗ q ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯСЯ РАЗНОЙ СТЕПЕНЬЮ МЕЖФАЗНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ q СУЩЕСТВЕННО ВЛИЯЮЩАЯ НА СВОЙСТВА КМ 4. КОМПОЗИТ ЭТО МАТЕРИАЛ – КОНСТРУКЦИЯ: q ПРОЕКТИРУЕТСЯ ПОД КОНКРЕТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ И ТРЕБУЕМЫЕ УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ 38

КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИТОВ ПО ТИПУ СТРУКТУРЫ МАТРИЦА НАПОЛНИТЕЛЬ а) Дисперсные б) Волокнистые в) Слоистые 39

40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Основными материалами, используемыми в машиностроении, являются металлы и их сплавы. Поэтому изучению этих материалов будет посвящено основное время нашего курса. 41