АГЗ МЧС России Кафедра химии и материаловедения

АГЗ МЧС России Кафедра химии и материаловедения Дисциплина: Материаловедение и технология материалов Лекция «Основные виды и свойства материалов» профессор ВАЛУЕВ Николай Прохорович

Учебные вопросы лекции: 1. Предмет и содержание дисциплины. 2. Классификация материалов. 3. Основные виды и свойства материалов. .

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ • Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой (строением) и свойствами материала, а также изменением структуры и свойств при внешних воздействиях (механическом, тепловом, химическом и др. ) • Материалы – исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов

Задачи материаловедения • Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при обработке и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования их состояния при эксплуатации и определения срока службы

ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Основная: 1. Арзамасцев В. Б. , А. Н. Волчков, В. А. Головин и др. Материаловедение и технология конструкционных материалов 2009 г. инв. № 2239 у/24 2. Валуев Н. П. , Муров В. А. , Пушкин И. А. Материаловедение и безопасность материалов. В 3 -х книгах. 2012 г. , 2013. г. , 2014 г. , инв. № 2762 к, 2896 к, 2945 к.

2 -й учебный вопрос: Классификация материалов. Требования, предъявляемые к материалам.

КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ • По структурным признакам • По функциональным признакам • По структурным признакам • - твердые материалы • - жидкости • - газы • - плазма

Твердые материалы • - простые, состоящие из одного элемента или соединения, имеющие однородную структуру • - композиционные, состоящие из нескольких элементов, соединений и фаз, имеющих неоднородную структуру • - сплавы, материалы, имеющие однородную макроструктуру, образованную в результате затвердевания расплава разных элементов и веществ

Кристаллические и некристаллические материалы • Кристаллические: • атомно-кристаллические - полиморфные модификации углерода, полупроводники 4 группы периодической таблицы • ионно-кристаллические - оксиды металлов, карбиды, нитриды, бориды, силикаты, природный камень, ситалы • металлические – металлы, сплавы • молекулярные – биополимеры, синтетические полимеры, природные силикаты, неорганические вяжущие • Некристаллические • стеклообразные – полимеры, неорганическое стекло, материалы для каменного литья • нестеклообразные в полуупорядоченном состоянии – каучуки и резины, биополимеры, органические вяжущие, студни полимеров • аморфные – аморфные полупроводники, аморфные металлы и сплавы

Классификация по функциональным признакам • Конструкционные материалы – предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическим нагрузкам (металлы, силикаты, керамика, полимеры, резина, древесина, композиционные материалы) • Инструментальные материалы – высокая твердость, износоустойчивость и прочность для применения при изготовлении инструментов • Триботехнические материалы – предназначены для применения в узлах трения (смазочные, антифрикционные, фрикционные)

Классификация по функциональным признакам • Электротехнические материалы – особые электрические и магнитные свойства для применения в изделиях электротехники • Рабочие тела – газообразные и жидкие материалы для преобразования энергии в механическую работу • Топлива – горючие материалы для получения тепловой энергии • Технологические материалы – используются для обеспечения протекания технологических процессов (клеи, герметики, припои, флюсы и т. п. )

Классификация по важным эксплуатационным параметрам • По электропроводности (проводники, полупроводники, диэлектрики) • По магнитной восприимчивости (диа- , пара-, ферромагнетики) • По тепловым характеристикам (теплоизоляционные, огнеупорные) • По стойкости к воздействию рабочей среды (жаростойкие, кислотоупорные, коррозионностойкие и т. п. )

Объемы производства и относительная доля основных видов материалов • Черные металлы – 1100 млн. т; 12% • Цветные металлы – 110 млн. т; 1, 2% • Полимеры - 140 млн. т; 1, 8% • Керамика - 5100 млн. т; 62% • Древесина - 1900 млн. т; 23% •

Требования, предъявляемые к материалам. • По механическим характеристикам • По электропроводности По магнитной восприимчивости По тепловым характеристикам • По стойкости к воздействию рабочей среды

Основные виды материалов • Металлические материалы • Силикатные материалы • Полимерные материалы • Композиционные материалы • Наноматериалы

Металлические материалы • Металлы – это материалы, состоящие из одного химического элемента и имеющие специфические металлические свойства. • Сплавы – это материалы, состоящие из двух и более химических элементов (веществ), полученные из жидкого агрегатного состояния. • Металлические сплавы – это материалы, имеющие специфические металлические свойства.

Особенности металлических материалов • Сочетание высокой прочности и пластичности при различных видах нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). Типичное значение прочности 500 МПа (50 кг/мм 2) при относительном удлинении 20%. • Высокая электропроводность (более МОм-1 м- 1) и магнитная восприимчивость (до 105). • Хорошие технологические свойства (обрабатываемость).

Черные металлы Сплавы железа с углеродом – черные сплавы: • 1. Стали. • 2. Чугуны. • Сталь – сплав железа с углеродом при содержании углерода ≈ до 2 %. • • Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода ≈ от 2 до 6, 7 %.

Углеродистые стали

Изменение механических свойств углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода

ЧУГУНЫ • Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2, 14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве. В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают: • Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида (цементита). • Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, . • Половинчатый чугун, в котором часть углерода находится в связанном, а часть – в свободном состоянии.

Маркировка чугунов • Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, • соответствующими минимальному значению временного сопротивления σв при растяжении в МПа: 10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412 -85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293 -85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215 -85). • СЧ 10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа; • ВЧ 70 - высокопрочный чугун с σв при растяжении 700 МПа; • КЧ 35 - ковкий чугун с σв при растяжении примерно 350 МПа. • Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др. , что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: • С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. Цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585 -79.

Легированные стали и сплавы. • Легирование – это введение в состав металлических сплавов специальных добавок для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств. • Легирующие элементы – это химические элементы, вводимые в сплав для придания ему требуемых свойств.

Легированные стали

Цветные металлы и сплавы. Медь и её сплавы. Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на: Марка МВЧк MOO МО Ml Содержание Cu 99, 993 99, 99 99, 95 99, 9 Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни.

Алюминий и его сплавы. • Алюминий - легкий металл, обладающий высокими тепло- и электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени частоты первичный алюминий бывает особой (А 999), высокой (А 995, А 95) и технической чистоты (А 85). • Алюминий маркируют буквой А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99, 0% Al.

Титан и его сплавы. • Титан – тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. . Титан и его сплавы маркируют буквами "ВТ" и порядковым номером: • ВТ 1 -00, ВТЗ-1, ВТ 4, ВТ 8, ВТ 14.

Силикатные материалы. • Силикатные материалы – это природные и искусственные системы, состоящие из кремнезёма (Si. O 2) и оксидов других металлов (кремнезема Al 2 O 3. оксидов Ca. O, Fe. O и др. ).

Бетоны • Бетоны – это искусственный каменный материал, получаемый в результате затвердевания уплотненной смеси специально подобранных материалов: • – вяжущего материала; • – воды; • – инертных заполнителей; • – специальных добавок (пластификаторы, пенообразователи, ускорители или замедлители схватывания – для придания нужных свойств и технологии).

Маркировка • Марки цемента – предел прочности при сжатии половинок образцов– призм размером 40 х4 х160 мм, изготовленных из цементного раствора 1: 3 (по массе) с кварцевым песком после твердения в воде 28 суток

Прочность затвердевшего цемента

Прочность цементного камня после нагрева: 1. портландцемент (без добавок); 2. портландцемент 40% + шамот 60% (шамот – огнеупорная глина, термостойкость 1610… 1750 ОС )

Полимерные материалы – это вещества состоящие из макромолекул. Макромолекула – это химическоесоединение(молекула), полученное путем многократного повторения определенного сочетания химических элементов. • СН 2 = СН 2 ( – СН 2 – )n • этилен катализатор, полиэтилен • (газ) температура, (твердое вещество) • М. м. = 28 давление М. м. = 1. 000

Полимеры из линейных макромолекул

Полимеры с сетчатым строением макромолекул

Пластмассы Пластмассой называется полимерный материал, находящийся при температурах эксплуатации в застеклованном состоянии. Изделия из пластиасс получают методами пластической деформации путем нагревания и давления.

Пластмассы с волокнистыми наполнителями • Волокниты – используются для изготовления рукояток, фланцев. шкивов и др. • Асбоволокниты – материалы тормозных устройств • Стекловолокниты – материалы для силовых электротехнических деталей

Слоистые пластмассы • Силовые конструкционные материалы. • Гетинакс используется как платы в электронике, для внутренней облицовки кабин самолетов, вагонов, судов. • Текстолит – конструкционный материал для зубчатых колес газораспределительного вала • Асботекстолит – конструкционный, фрикционный и термоизоляционный материал (фрикционные диски, томозные колодки, лопатки бензонасосов

Композиционные материалы Композиционный материал (композит, КМ) – неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов, среди которых можно выделить армирующие элементы, обеспечивающие необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или связующее), обеспечивающую совместную работу армирующих элементов.

Типовые структуры композитов

Сравнительные механические характеристики материалов • Сталь 30 ХГСА • Предел прочности -1, 6 ГПа • Удельная прочность – 0, 2 МНм/кг • Стеклопластик • Предел прочности -1, 4 ГПа • Удельная прочность – 0, 77 МНм/кг

Свойства композитов с металлической матрицей

НАНОМАТЕРИАЛЫ • Наноразмерными (нано – десятичная приставка, обозначающая 10 -9) называют материалы, дискретные элементы, структуры которых имеют хотя бы в одном измерении размеры менее 100 нм (1 нм = 10 -9 м). Нижний предел размерного диапазона структурных элементов наноматериалов соответствует размеру молекул. • Наночастицы по размеру занимают промежуточное положение между молекулами и микроскопическими объектами, характерные размеры которых около 1 мкм. В данном случае количественная разница в размерах переходит в качественное отличие свойств вещества.

Свойства наноматериалов • Практическое применение материалов конструкционного назначения часто ограничивается тем, что увеличение прочности материала традиционными способами приводит к снижению его пластичности. Нанотехнология позволяет снять это ограничение. Для наноматериалов возможно сочетание высоких значений прочности и пластичности. • Нанотехнология позволяет резко поднять удельную прочность материалов. Наноматериалы на основе полимеров и сплавов легких металлов по уровню конструкционных свойств сопоставимы с лучшими сортами сталей при сохранении низкой плотности полимеров и легких сплавов.

Механические свойства материалов Материал Прочность на Прочность Относительное растяжение и на сжатие, удлинение, % изгиб, МПа Металлы и 200 - 2000 30% - 3% сплавы Силикатные 5 - 10 50 - 100 менее 1% материалы Полимерные 3 - 10 100% - 5% материалы