Материаловедение и технология материалов. Направление «Материаловедение и технологии материалов Материаловедение и технологии новых материалов кем работать

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

(ПРАКТИКУМ)

По дисциплине

«Материаловедение и технология материалов»

Часть 1

Минск 2003 Введение

В процессе изучения курса «Материаловедение и технология ма­териалов» наряду с лекциями и практическими занятиями, боль­шую роль играет лабораторный практикум. Без овладения навыка­ми использования анализа поведения материалов в различных усло­виях невозможен направленный синтез новых материалов и обос­нованное использование их на практике.

Выполнение лабораторных работ позволит закрепить теоретиче­ские положения основных разделов науки о материалах, ознако­миться с современными методиками научного исследования и про­анализировать полученные экспериментальные результаты. В итоге можно выполнить небольшое, полностью завершенное научное ис­следование.

В учебном пособии (часть 1) приведены лабораторные работы, отражающие изучение основных физико-химических свойств кон­струкционных материалов и их структуры.

Особенностью изложенного материала является наличие доста­точно обширной теоретической части, что позволяет студентам са­мостоятельно подготовиться к занятиям. В пособии приводится список дополнительной литературы, который будет способствовать более детальному изучению работ.

Целью пособия является ознакомление с различными металличе­скими и неметаллическими конструкционными материалами, ис­пользуемыми в приборостроении, и приобретение Студентами чет­ких представлений о многообразной природе физико-химических явлений, происходящих в материалах при различных условиях в процессе их синтеза и эксплуатации.

После выполнения лабораторной работы предусматривается оформление отчета, который включает:

1) титульный лист;

2) основные теоретические положения;

3) порядок выполнения работы с представлением результатов в виде таблиц и графических зависимостей;

4) анализ полученных результатов и выводы. При проведении лабораторных работ необходимо, строго при­держиваться требований техники безопасности.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучить диаграмму состояния «железо-углерод», ознакомиться с микроструктурой железоуглеродистых сплавов (ста­лей и чугунов), порошковых композиционных материалов.

Теоретическая часть

При изменении концентрации компонентов в сплавах, а также в процессе их охлаждения или нагрева (при условии постоянного внешнего давления) в этих сплавах происходят существенные фазо­вые и структурные изменения, которые можно наглядно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих собой графиче­ское изображение состояния сплавов. Диаграммы строятся для рав­новесного состояния сплавов. Равновесное состояние - стабильное состояние, не изменяющееся во времени, и характеризующееся ми­нимумом свободной энергии системы.

Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Для их построения используют термический метод. С его помощью полу­чают кривые охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленным тепловыми эффектами превращений, определяют температуры самих превращений. С помощью диа­грамм состояния определяют температуры плавления и полиморф­ных превращений в сплавах, сколько фаз и какие фазы имеются в сплаве данного состава при данной температуре, а также количест­венное соотношение этих фаз в сплаве. Дополнительно к термиче­скому методу для изучения превращений в твердом состоянии при­влекается исследование микроструктуры с использованием оптиче­ского и электронного микроскопов, рентгеноструктурный анализ, изучение физических свойств сплавов и т.д.

В двойных сплавах по вертикали откладывается температура, а по горизонтали - концентрация компонентов. Каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию одного и друго­го компонента с учетом того, что общее содержание компонентов в каждой точке этой оси соответствует 100%.

Поэтому по мере увеличения количества одного компонента сплава, должно снижаться содержание в сплаве другого компонента.

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодей­ствий, которые имеют место между компонентами сплавов в жид­ком и твердом состояниях. Предполагается, что в жидком состоя­нии между компонентами существует неограниченная раствори­мость, т.е. они образуют однородный жидкий раствор (расплав). В твердом состоянии компоненты могут образовать механические смеси из чистых компонентов, неограниченные твердые растворы, ограниченные твердые растворы, устойчивые химические соедине­ния, неустойчивые химические соединения, а также испытывать полиморфные превращения.

Механические смеси образуются, если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не раство­ряются друг в друге и не взаимодействуют. По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. На шлифе видны кристал­литы разных компонентов, образующих механическую смесь. Хи­мический анализ определяет также разные компоненты. Различимы два типа кристаллических решеток.

Твердые растворы - фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает на­личие двух элементов, а рентгеноструктурный - один тип решетки растворителя. По структуре - однородные зерна. Если оба компо­нента имеют однотипные кристаллические решетки, и их атомные диаметры отличаются не более чем на 8 - 15 %, то возможна неог­раниченная растворимость (например, золото и серебро).

Химические соединения образуются, если элементы, состав­ляющие сплав, взаимодействуют друг с другом. По структуре они представляют собой однородные твердые тела. Свойства химиче­ских соединений отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток исходных компонентов. В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, т.е. имеется химическая формула соединения.

Диаграмма состояния системы «железо-углерод»

Железо и его сплавы с углеродом

Полиморфизм - свойство вещества или материла изменять свою кристаллическую решетку при изменении температуры, Кристалли­ческие формы α-Fe и… Углерод - неметаллический элемент. В природе встречается в виде двух… В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита с гексагональной слоистой решеткой. Модификацию…

Стали

Стали - сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% угле­рода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, крем­ний, сера и фосфор. Некоторые элементы могут быть введены спе­циально для улучшения физико-химических свойств (легирующие элементы).

По структуре стали делятся на:

1) доэвтектоидные , содержащие до 0,8 % углерода (состав П+Ф);

2) эвтектоидные стали , содержащие 0,8 % углерода (П);

3) заэвтектоидные , содержащие более 0,8 % углерода (П+втор.Ц).

Точка D - эвтектоидная точка (при охлаждении из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита). Эвтектоидное превращение происходит не из жидкости, а из твердого раствора.

В зависимости от химического состава различают стали углеро­дистые и легированные. В свою очередь углеродистые стали могут быть:

1) малоуглеродистыми (содержание углерода менее 0,25%);

2) среднеуглеродистыми (содержание углерода составляет. 0,25 - 0,60%);

3) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода пре­вышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

1) низколегированные - содержание легирующих элементов до 2,5%;

2) среднелегированные- т- 2,5 до 10% легирующих элементов;

3) высоколегированные - содержат свыше 10% легирующих эле­ментов.

По назначению стали бывают:

1) конструкционные, предназначенные для тельных и машиностроительных изделий;

2) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мери­тельный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат

более 0,65% углерода;

3) с особыми физическими свойствами, например, с определен­ными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения (электротехническая сталь, инвар);

4) с особыми химическими свойствами, например, нержавею­щие, жаростойкие или жаропрочные стали.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фос­фора) стали подразделяют на:

1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и

до 0,07% фосфора.

2. Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3. Высококачественные - до 0,025% серы и фосфора.

4. Особо высококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,0] 5% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, различают:

1) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные, обозначаются буквами ""сп" в конце марки;

2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп";

3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положе­ние между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ т, изгиб в хо­лодном состоянии), сталь каждой группы делится на категории, ко­торые обозначаются арабскими цифрами.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и ус­ловным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического со­става и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Для указания ка­тегории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соот­ветствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качест­ва, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребите­лям по механическим свойствам (группа А).

Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей,

Например: СТ45 - сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,45% С.

У7 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, со­держащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо рас кислены).

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ниобий, М - молибден, Ф - ванадий, В - вольфрам, Н - никель, X - хром, Г - марганец, П - фосфор, Д - медь, С - кремний.

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Ес­ли цифры нет, то сталь содержит 0,8 - 1,5% легирующего элемента.

Например: 14Г2 - низколегированная качественная сталь, спо­койная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.

ОЗХ16Н15МЗБ - высоколегированная качественная сталь, спокой­ная содержит 0,03% С, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особо высококачественные стали мар­кируют так же, как и качественные, но в конце марки высококачест­венной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозна­чения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь), а после марки особо высококачественной - через тире букву "Ш".

Например: У8А - углеродистая инструментальная высококаче­ственная сталь, содержащая 0,8% углерода;

ЗОХГС-Ш - особо высококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента (ШХ6).

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают бук­вой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содер­жание в ней вольфрама (Р18).

Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указываю­щей среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12).

Чугуны

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Чугуны, в отличие от сталей, заканчивают кристаллизацию обра­зованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластиче­ской деформации и высокими литейными свойствами.

В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

1) чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоя­нии в виде карбида (белый чугун);

2) чугун, в котором углерод в значительной степени или полно­стью находится в свободном состоянии в виде графита (серый, вы­сокопрочный, ковкий чугуны).

Белый чугун не содержит графита, весь углерод связан в це­ментите Fe 3 C. Белые чугуны, в зависимости от содержания углеро­да, делятся на:

1) доэвтектические - содержание углерода до 4,3% . Структура состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические - содержание углерода 4,3%. Структура состо­ит из ледебурита;

3) заэвтектические - содержание углерода более 4,3 %. Структу­ра состоит из ледебурита и первичного цементита.

Точка С - эвтектическая . Эвтектическое превращение происхо­дит из жидкости. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. В точке С одновременно в равновесии сосуществуют три фазы: жидкий расплав, аустенит и цементит.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. Под микроскопом графит будет на­блюдаться в виде темных кривых полос на светлом фоне. По сравне­нию с металлической основой, графит имеет низкую прочность. Мес­та его залегания можно рассматривать как нарушения сплошности. Серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств при испытаниях на растяжение. Однако серый чугун имеет и ряд преимуществ: позволяет получать дешевое литье, имеет хорошую. обрабатываемость резанием, высокие демпфирующие свойства.

Серый чугун маркируется двумя буквами СЧ и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления при растяжении в МПа.

Например: СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при рас­тяжении 100МПа.

По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механиче­ские свойства чугунов растут. Округленная форма графита достига­ется модифицированием. При использовании в качестве модифика­тора магния в количестве до 0,5% получают высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун содержит углерод в свободном состоя­нии в виде шаровидных включений графита. Под микроскопом на­блюдаются округлые темные зерна разного размера на светлом фо­не. Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные дета­ли. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрой, ха­рактеризующей величину временного сопротивления.

Например: ВЧ 35 - высокопрочный чугун с пределом прочно­сти при растяжении 350 МПа.

Ковкий чугун содержит углерод в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (длительный отжиг при темпера­туре 1000°С). Под микроскопом наблюдается хлопьевидная фаза на светлом фоне.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами: первое - предел прочности при растяжении, второе - относительное удлинение.

Например: КЧ 35-10 - ковкий чугун с пределом прочности 350 МПа и относительным удлинением 10 %.

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств метал­лической основы и характера включений графита.

Металлическая основа может быть:

1) перлитная (темная основа под микроскопом);

2) феррито-перлитная (чередование светлых и темных участков под микроскопом);

3) ферритная (светлая основа под микроскопом).

Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация является диффузионным процессом и протекает медлен­но. Процесс графитизации состоит из нескольких стадий:

1) образование центров, графитизации;

2) диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

3) рост выделений графита.

Композиционные материалы, полученные методом

Порошковой металлургии

Технологический процесс изготовленияизделий из порошков включает в себя: получение порошков, подготовку шихты, формо­вание, спекание, горячее… При формовании заготовок из порошков определенного химиче­ского состава…

Исследование структуры сплавов

Изучение структуры сплавов в данной работе осуществляется с помощью оптического микроскопа. Изображение формируется в отраженном свете. Для микроанализа изготавливают образцы с полированной по­верхностью -… В результате анализа оценивается форма включений, их размер, распределение, количество графита, легирующих элементов,…

Экспериментальная часть

1. Используя образцы-микрошлифы порошковых материалов, рассмотреть и графически изобразить структуру материалов под микроскопом. Сравнить структуру с описанием в альбоме.

2. Используя образцы-микрошлифы сталей и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить содержание углерода в образцах и фазовый состав по диаграмме состояния, приведенной в теоретической части.

3. Используя образцы-микрошлифы чугунов и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить вид чугуна, форму графитных включений, тип металлической основы. У белых чугунов определить содержание углерода. По диаграмме состояния определить фазовый состав бе­лых чугунов.

4. Изучить диаграмму состояния «железо-углерод». Идентифи­цировать линии ликвидуса, солидуса, эвтектоидную и эвтектиче­скую точки, линии фазовых переходов, температуры плавления же­леза, цементита и т.д.

5. По результатам проведенной работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №2,

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить механические свойства конструкционных материалов и методы оценки свойств.

Теоретическая часть

Механические свойства материалов зависят от вида напряжен­ного состояния (создаваемого в образцах при испытании), условий и характера нагружения, скорости, температуры и состояния внеш­ней среды. Целью механических испытаний материалов является определение именно тех или иных свойств или их совокупности, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий в заданных условиях службы. Совокупность таких механических свойств можно назвать конст­руктивной прочностью.

В качестве критериев оценки принимают разные сочетания ме­ханических свойств. Выделяют следующие группы критериев:

1. Оценки прочностных свойств материалов, определяемые часто и независимо от особенностей изготовляемых из них изделий и ус­ловий их службы. Обычно эти прочностные свойства определяют в условиях растяжения при статическом нагружении.

2. Оценки свойств материалов, непосредственно связанных с ус­ловиями службы изделий, и определяющие их долговечность и надежность.

3. Оценки прочности конструкции в целом, определяемые при стендовых и эксплуатационных испытаниях.

Первые две группы критериев оценки свойств определяются на образцах, тогда

как последние - на готовых деталях и конструкциях.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

1) прочность - способность материала сопротивляться разруше­нию под действием нагрузки;

2) пластичность - способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения при действии нагрузки;

3) хрупкость - способность материала разрушаться без защит­ного поглощения энергии;

4) вязкость - способность материала до момента разрушения необратимо поглощать механическую энергию;

5) упругость - способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки;

6) твердость - способность материала сопротивляться проник­новению в него другого тела в поверхностном слое.

Диаграмма растяжения

Построение диаграммы растяжения является основной задачей испытаний па растяжение. Для этих испытаний используются ци­линдрические образцы из… Зона ОА носит название зоны упругости (после снятия нагрузки Рпц образец…

Определение твердости материалов

Твердость - способность материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воз­действиях.

Преимущества измерения твердости

2. Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности (не требует специальных образ­цов, выполняется… 3. Измерение твердости не влечет за собой разрушение прове­ряемой детали и… 4. Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины, а также в тонких слоях.

Определение твердости по шкале Мооса

со стек­лом, лезвием ножа и т.п., как показано в табл. 2.1. Таблица 2.1

Экспериментальная часть

1.Испытания на растяжение.

1.1. Получить цилиндрические образцы из стали, испытанные на растяжение.

1.2. Произвести с помощью штангельциркуля необходимые из­мерения длин и диаметров образцов. Данные занести в табл 2.2.

Таблица 2.2

1.3. Определить основные механические характеристики, а имен­но предел прочности материала, относительное удлинение и отно­сительное сужение по формулам, приведенным в теоретической части работы.

1.4. Построить диаграмму растяжения образов стали в координа­тах Р-Δl.

1.5. Ознакомиться с диаграммами растяжения различных конст­рукционных материалов, выданными преподавателем, выделить ос­новные зоны, определить механические характеристики.

2. Определение твердости материалов.

2.1. Определение твердости по Бринеллю:

а) испытуемый образец устанавливают на столике прибора для измерения твердости;

б) установить величину нагружающего усилия и время действия нагрузки;

в) нанести отпечаток на образец, опустить столик прибора, снять образец;

г) используя микроскоп, измерить диаметр полученного отпе­чатка и рассчитать твердость по Бринеллю.

2.2. Определение твердости по Виккерсу:

а) определить длины диагоналей отпечатка на образце установленном на предметном столике микроскопа;

2.3. Изучение влияния содержания углерода в стали на ее твер­дость;

а) измерить диаметры отпечатков полученных образцов для ста­лей СТ20, СТ45, У8;

б) определить значения твердости по Бринеллю, пользуясь спра­вочными таблицами;

в) построить графическую зависимость твердости от содержа­ния углерода и объяснить се.

3. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы : изучить особенности процесса кристаллизации материалов на примере солей и металлов, определить* влияние различных факторов на структуру закристаллизованного материала, ознакомиться с методикой термического анализа.

Теоретическая часть

Всякое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, на­зываемой температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации.

Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (так называемый ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидкостях определенная ориентировка рас­пространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов, образующих сравнительно устойчивые группировки, или флуктуа­ции (ближний порядок). С понижением температуры устойчивость флуктуации увеличивается, и они проявляют способность к росту.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвиж­ность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении

определенной температуры, называемой температу­рой плавления, решетка разрушается с образованием жидкой фазы.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жидко­сти (расплава) и ее последующем затвердевании. При охлаждении подвижность атомов снижается, и вблизи температуры плавления -образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, на которых впоследствии вырастает слой кри­сталлов. При достижении температуры «плавления-затвердевания» вновь образуется кристаллическая решетка, и металл переходит в твердое состояние. Переход металла из жидкого состояния в твер­дое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Кристаллические тела характеризуются анизотропией - зависи­мостью свойств от направления. Аморфные тела (например, стекло) являются изотропными - их свойства не зависят от направления.

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации. Энер­гетическое состояние любой системы характеризуется определен­ным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения молекул, атомов и т.д. Свободной энергией является та­кая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу. Величина свободной энергии изменяется при изменении температуры, плавлении, поли­морфных превращениях и т.д.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стре­мится к минимальному значению свободной энергии. Любой само­произвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свобод­ной энергии. Например, шарик стремиться скатиться вниз по на­клонной плоскости, понизив при этом свою свободную энергию. Самопроизвольное возвращение шарика вверх по наклонной плос­кости невозможно, так как при этом произойдет увеличение его свободной энергии.

Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энер­гией обладает жидкое состояние. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры показано на рис. 3.1. Температурные изменения свободной энергии раз­личны для жидкого и твердого состояний вещества.

Рис. 3.1. Термодинамическое условие кристаллизации

Различают теоретическую и фактическую температуру кристал­лизации.

Т 0 - теоретическая, или равновесная температура кристаллиза­ции, при которой F ж = F тв При этой температуре равновероятно су­ществование металла как в жидком, так и в твердом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется тогда, когда этот процесс бу­дет термодинамически выгоден системе, при условии ΔF = F ж - F тв, для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактиче­ской температурой кристаллизации Т кр. Разность между теорети­ческой и фактической, температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения :ΔТ = Т 0 - Т кр. Чем больше степень пе­реохлаждения ΔТ, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Подобно тому, как при затвердевании необходимо переохлажде­ние до фактической температуры кристаллизации, так и при плав­лении необходим перегрев для достижения реальной температуры плавления.

Механизм процесса кристаллизации

1) зарождение центров кристаллизации; 2) рост кристаллов из этих центров. При температурах, близких к температуре затвердевания, в жид­ком металле образуются небольшие группировки атомов, так…

Термический анализ

Рис. 3.5. Виды кривых охлаждения Когда кристаллизуется чистый элемент, отвод теплоты, проис­ходящий вследствие охлаждения, компенсируется теплотой…

Строение слитка спокойной стали

Схема строения слитка спокойной стали приведена на рис. 3.7. Структура слитка состоит из трех зон: наружной мелкозернистой зо­ны 1, зоны столбчатых… Рис. 3.7. Структура металлического слитка

Экспериментальная часть

1. Провести термический анализ металла.

1.1. Включить печь, в которую помещен образец металла.

1.2. Произвести нагревание (плавление) образца до температуры, указанной лаборантом.

1.3. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек. Перевод показаний производится с помощью градуировочной таблицы.

1.4. При достижении конечной температуры эксперимента вы­ключить печь и произвести процесс охлаждения (кристаллизацию) металла.

1.5. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек.

1.6. Построить кривые нагревания и охлаждения в координатах

«температура - время» на одном графике.

1.7. Определить критические точки агрегатных превращений и

степень переохлаждения.

2. Изучить процесс кристаллизации на примере солей металлов.

2.1. Нанести капли насыщенных растворов солей на предметное стекло и разместить на предметном столике микроскопа.

2.2. Рассмотреть и графически изобразить структуры солей, по­лученные через определенный период времени в процессе естест­венного испарения воды. Определить типы кристаллических обра­зований, последовательность образования зон, их количество.

3. По экспериментальным результатам сформулировать выводы.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить теплофизические свойства материалов. Оп­ределить температурный коэффициент линейного расширения сплава.

Теоретическая часть

Для ряда отраслей приборостроения необходимо применение ма­териалов со строго регламентированными тепловыми свойствами, К основным теплофизическим свойствам относятся: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, термостойкость, теплоемкость, тепловое расширение.

Нагревостойкостью называют способность материалов без по­вреждения и без допустимого ухудшения других практически важ­ных свойств надежно выдерживать действие повышенной темпера­туры (кратковременно или в течение времени, которое сравнимо с нормальным временем эксплуатации). Величину нагревостойкости оценивают по соответствующим значениям температуры, при кото­рой появились изменения свойств (например, электрических для неорганических диэлектриков). Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформа­ций. Если ухудшение свойств обнаруживают только после длитель­ного воздействия повышенной температуры - за счет медленно протекающих химических процессов, то это так называемое тепло­вое старение материала . Помимо воздействия температуры, суще­ственное влияние на скорость старения могут оказывать: повышение давления воздуха, концентрация кислорода,

различных химиче­ских реагентов и т.д.

Для ряда хрупких материалов (стекла, керамики) важна стой­кость по отношению к резким сменам температуры - тепловым им­пульсам. Способность выдерживать теплосмены называется термо­стойкостью. При быстром нагреве или охлаждении поверхности материала, за счет создания температурного перепада между на­ружным и внутренним слоями материала и неравномерного тепло­вого расширения или сжатия, могут образоваться трещины. Термостойкость оценивается по количеству теплосмен, которое выдержал образец материала без заметного изменения свойств.

В результате испытаний определяют стойкость материала к теп­ловым воздействиям, причем стойкость эта в различных случаях может быть неодинаковой. Например, материал, легко выдержи­вающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры или мате­риал, выдерживающий длительный нагрев до высокой неизменной температуры, при быстром охлаждении растрескивается, меняет свои свойства. Испытание на действие повышенной температуры иногда необходимо проводить с одновременным воздействием по­вышенной влажности воздуха (тропический климат).

Когда аппаратура рассчитана на работу в условиях пониженных температур, важна ее холодостойкость - способность материала без повреждения и без недопустимого ухудшения других практиче­ски важных свойств надежно выдерживать воздействие низких температур, например, от -60°С и ниже. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако, многие материалы, гибкие и эластичные при обычных температурах, при низких становятся весьма хрупкими и жесткими, что приводит к ненадежности работы.

Все твердые тела в той или иной степени способны проводить тепло. Одни хуже, другие лучше. Теплопроводность - это свойство материалов проводить тепло от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящее к выравниванию температуры.

Принципиально существуют следующие способы передачи теп­ловой энергии в веществе:

1) излучение - все тела, какова бы ни была их температура, из­лучают энергию. Это может быть чисто термическое явление (теп­ловое излучение) и

люминесценция (фосфоресценция и флюоресценция), которая имеет нетермическое происхождение;

2) конвекция - прямая передача тепла, связанная с движением жидкостей и газов;

3) теплопроводность - передача тепла вследствие взаимодейст­вия атомов или молекул вещества. В твердых телах перенос тепло­вой энергии осуществляется в основном по этому способу.

Основной закон теплопроводности Фурье гласит, что плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры. Закон справедлив для изотропных тел (свойства не зависят от направле­ния). Анизотропные твердые тела характеризуются коэффициента­ми теплопроводности в направлении главных осей.

В общем случае теплопроводность в твердых телах осуществля­ется двумя механизмами - движением носителей тока (электронов, главным образом) и упругими тепловыми колебаниями атомов ре­шетки. Максимальный коэффициент теплопроводности имеют алю­миний, золото, медь, серебро. Кристаллы с более сложным строени­ем решетки имеют более низкую теплопроводность, т.к. степень рассеивания тепловых упругих волн там больше. Снижение тепло­проводности наблюдается также при образовании твердых раство­ров, т.к. при этом возникают дополнительные центры рассеивания тепловых волн. В гетерофазных (многофазных) сплавах коэффици­ент теплопроводности складывается из теплопроводностей обра­зующихся фаз. Теплопроводность соединений всегда значительно ниже, чем теплопроводность образующих их компонентов.

Теплоемкость - это свойство самого вещества, оно не зависит от структурных особенностей конкретного изделия, его пористости и плотности, размеров кристаллов и других факторов. Теплоемкость - это количество теплоты, соответствующее изменению температуры единицы количества вещества на 1°С.

Тепловое расширение - увеличение объема и линейных разме­ров тел с изменением температуры. Оно свойственно практически всем материалам.

Хотя прочность сил связи в твердом теле очень велика, сущест­вуют возможности движения элементарных частиц (атомов, ионов). Как в аморфных телах, так и в кристаллических, атомы вибрируют около центра равновесия.

При этом амплитуда колебаний возраста­ет с ростом температуры. Практика показывает, что и удельный объем большинства веществ возрастает при увеличении температу­ры, т.е. имеет место тепловое расширение. Явление термического расширения, однако, связано не с увеличением амплитуды колеба­тельного движения атомов, а с его ангармоничностью. Для понима­ния сущности явления необходимо рассмотреть силовое взаимодей­ствие при образовании химической связи между атомами, а также зависимость потенциальной энергии системы от межатомного рас­стояния. Любой вид химической связи предполагает баланс сил притяжения и отталкивания между атомами. При сближении атомов вначале доминируют силы притяжения. Сближение атомов до неко­торого предела уменьшает энергию системы, т.е. обеспечивает ей большую устойчивость. При достаточно малом межатомном рас­стоянии, однако, проявляются силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению атомов. Действие этих сил возрастает с уменьшением межатомного расстояния, что соответствует увеличе­нию энергии системы. При некотором значении межатомного рас­стояния силы отталкивания и притяжения уравновесятся, после чего дальнейшее сближение требует приложения внешней силы, что соответствует положительным значениям результирующей силы F рез.

Рис. 4.1. Схема силового взаимодействия между

разноименно заряженными частицами

Потенциальная яма характеризуется сильно выраженной асим­метрией. Допустим, при некоторой температуре колеблющийся атом обладает определенной энергией. В этом случае он совершает колебания относительно центра, отклоняясь поочередно «влево-вправо». Так как смещения от положения

равновесия должны быть одинаковы, то повышение энергии системы вызывает смещение центра колебаний вдоль оси межатомного расстояния. Таким обра­зом, среднее расстояние между атомами растет по мере повышения температуры, что соответствует термическому расширению тела.

Таким образом, в основе явления термического расширения твердых тел лежит ангармоничность колебательного движения его атомов, а степень отклонения тепловых колебаний от гармониче­ского закона, т.е. величина термического расширения тела, во мно­гом определяется степенью асимметрии потенциальной ямы. Как правило, в веществах с ионным характером связи потенциальная яма характеризуется значительной шириной и асимметрией. Этот факт и определяет существенный рост средних межатомных рас­стояний при их нагревании, или значительное тепловое расширение ионных соединений.

Наоборот, в веществах с преимущественно ковалентным харак­тером связи (бориды, нитриды, карбиды) потенциальная яма имеет форму заостренной впадины, в связи с чем степень ее симметрич­ности выше. Поэтому увеличение расстояния между атомами при нагреве сравнительно невелико, что соответствует их относительно небольшому тепловому расширению. Металлы обладают, как пра­вило, повышенным тепловым расширением, т.к. металлическая связь, в общем, является более слабой, чем ионная и ковалентная. Наконец, органические полимеры характеризуются очень большим расширением при нагреве, обусловленным слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, действующими между молекулами, в то время как внутри молекул действуют мощные ковалентные силы.

Количественно тепловое расширение материалов оценивается следующими величинами:

1. Температурным коэффициентом линейного расширения при данной температуре (ТКЛР), соответствующим относительному удлинению образца при бесконечно малом изменении температуры.

2. Температурным коэффициентом объемного расширения, ха­рактеризующим трехмерное расширение вещества.

Важным практическим следствием является необходимость ис­пользования данных по ТКЛР, полученных в конкретном темпера­турном интервале, в котором работает материал. Нельзя сравнивать температурные коэффициенты
расширения материалов, измерен­ные при различных температурах.

У изотропных материалов (кристаллы с кубической решеткой, стекла) ТКЛР одинаков во всех направлениях. Большинство кристал­лических веществ, однако, анизотропны (расширение различно вдоль различных осей). Наиболее сильно это явление выражено, например, у слоистых материалов (графит), когда химические связи обладают выраженной направленностью. В результате у графита расширение вдоль слоя оказывается намного меньше, чем перпендикулярно ему. У некоторых подобных материалов с сильно выраженной анизотро­пией величина ТКЛР в одном из направлений может оказаться даже отрицательным. Например, кордиерит 2MgO 2А1 2 О 3 5SiO 2 , у которо­го при тепловом расширении вдоль одной оси наблюдается расши­рение кристалла, а вдоль другой оси - сжатие, соответствующее сближению слоев структуры. Это явление используется в техноло­гии; в по л и кристаллическом материале хаотическое распределение кристаллов приводит к взаимной ориентации их положительного и отрицательного расширения. В итоге получают материал с низкой величиной ТКЛР, отличающийся очень высокой термостойкостью. В то же время в таких материалах на границах зерен могут возникать значительные напряжения, что отражается на их механической проч­ности. Для полифазных материалов на границе двух соприкасаю­щихся фаз с разными ТКЛР на фазу с большим коэффициентом рас­ширения будут действовать напряжения сжатия и растягивающие - на фазу с малым ТКЛР (при нагреве). При охлаждении напряжения меняют знаки. При превышении критических значений напряжений возможно появление трещин и даже разрушение материала.

Таким образом, ТКЛР является структурно чувствительным свойством и чутко реагирует на изменения структуры материала, например на наличие полиморфных превращений в нем. В связи с этим на кривых расширения многофазных материалов могут на­блюдаться перегибы, их монотонный характер нарушается.

Если расширение тела в данном температурном интервале про­исходит равномерно, то графически расширение выразится прямой (рис. 4.2.), а средний коэффициент линейного расширения будет численно равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси темпера­туры, отнесенного к относительному изменению длины образца.

Рис. 4.2. Равномерное расширение тела при нагревании

Однако не всегда расширение образца происходит равномерно. Изучение особенностей теплового расширения в различных темпе­ратурных интервалах позволяет также делать косвенные выводы о температуре и характере различных структурных превращений в материале. В таких случаях зависимость теплового расширения от температуры будет выражаться не прямой линией, а более сложной зависимостью (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Неравномерное расширение тела при нагревании

Для нахождения величины коэффициента расширения в отдель­ных точках кривой расширения нужно провести касательную к оси температур через точку кривой, соответствующей температуре из­мерения. Величина коэффициента линейного расширения будет вы­ражаться тангенсом угла наклона касательной к оси температур.

Величина термического расширения тел при нагревании прежде всего зависит от природы данного материала, т.е. от его химико-минералогического состава, строения пространственной решетки, прочности химической связи и т.д. Так,

величина ТКЛР керамики определяется, прежде всего, характером кристаллической фазы, стекла - химическим составом, а ситалла - характером кристалли­ческой фазы, химическим составом остаточной стекловидной фазы и их соотношением.

Сложную температурную зависимость расширения дают стекло­образные материалы. Вначале, до так называемой температуры стеклования, близкой к температуре размягчения, расширение идет пропорционально температуре. При температуре, превышающей температуру стеклования, скорость удлинения резко возрастает. Этот участок соответствует переходному интервалу от хрупкого к высоковязкому состоянию, в котором происходят процессы струк­турной перестройки стекла, а температура стеклования считается границей хрупкого состояния. После достижения максимума удли­нение начинает уменьшаться, что связано с усадкой образца стекла в результате его размягчения.

ТКЛР является технической характеристикой материала и вы­числяется по формуле

где l 0 - длина тела при начальной температуре Т 0 ;

l т - длина тела, нагретого до температуры Т.

ТКЛР - изменение длины при изменении температуры на 1 гра­дус, отнесенное к исходной длине образца. Материалы с низким ТКЛР применяют в качестве деталей высокоточных приборов и оборудования, которые не должны изменять размеры при нагреве. При жестком соединении частей прибора, например, в спае металла со стеклом, необходимо выбирать материалы с близкими значения­ми ТКЛР, иначе при охлаждении в месте соединения деталей будут возникать напряжения, и в хрупком стекле могут образоваться тре­щины, и спай не будет вакуумно-плотным. Близость ТКЛР необхо­дима также для слоев микросхем, подвергающихся изменению тем­пературы при технологических операциях или в процессе работы, иначе может произойти разрушение слоев схемы.

Коэффициент термического расширения играет большую роль также при оценке термостойкости материалов: чем ниже ТКЛР, тем выше термостойкость.

Существуют сплавы металлов, которые не подчиняются общим закономерностям тепловых свойств. Такими сплавами являются сплавы железа с никелем Ре-М1. Сплав, содержащий 36 % никеля, имеет значение ТКЛР близкое к нулю и носит название инвар (лат. «неизменный»).

Инженеры пользуются еще одним тепловым свойством, а имен­но тепловым коэффициентом модуля упругости (ТКМУ). В лю­бых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, который является мерой сил меж­атомных связей. Для сплава Ре-№ это свойство имеет аномальную зависимость: модуль ТКМУ растет или остается постоянным при повышении температуры. Максимальным ТКМУ обладает тот же инвар с 36% никеля. Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, ТКМУ которых практически не за­висят от температуры. Эти сплавы называются элинварами .

Стали с определенным тепловым расширением служат для изго­товления термобиметаллов , когда слой с низким тепловым расши­рением (пассивный слой) путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепловым расширением (активный слой). Биметаллические пластины используют в качестве терморегулятора в приборостроении.

Нагрев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяю­щему замкнуть электрическую цепь. Основным свойством термо­биметаллов является термочувствительность - способность изги­баться при изменении температуры.

Описание кварцевого дилатометра, используемого для измерения температурного коэффициента линейного расширения

Другой конец стержня соединяется со стержнем индикаторной го­ловки. Индикаторная головка укреплена на металлической стойке. Плотный контакт стержня с образцом осуществляется при помощи давления пружины индикатора. При расширении образец давит че­рез…

Экспериментальная часть

1. Ознакомится с устройством дилатометра.

2. Поместить трубку с образцом бронзы в трубчатую печь.

3. Включить печь и комбинированный прибор для снятия пока­заний.

4. Провести установку индикатора на нуль.

5. Через одинаковые промежутки времени (например, через 20°С) снимать показания индикатора, пользуясь градуировочной таблицей.

6. Опытные данные занести в табл. 4.2.

где α - коэффициент линейного расширения;

n - показания индикатора;

k - цена деления индикатора;

(T 2 - T 1) - разность температур (комнатной и конечной) для выбранного интервала;

l - начальная дина образца;

α кв - поправка на расширение кварца.

8. Построить и объяснить графическую зависимость удлинения образца от температуры.

9. Проанализировать полученные результаты для бронзы, представляющей собой сплав меди и олова, учитывая, что α меди = 160 ·10 -7 гр -1 , α олова = 230 ·10 -7 гр -1 .

10. Ознакомиться с кривыми расширения для неметаллических материалов, выделить характерные зоны, объяснить процессы, происходящие в материалах при нагревании.

11. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №5

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы : ознакомиться с различными пористыми материа­лами и технологией их изготовления. Определить водопоглощение полимерных, композиционных и стеклокерамических материалов и сделать сравнительный анализ полученных результатов.

Теоретическая часть

Все материалы в большей или меньшей степени обладают водопоглощением , т.е. способностью поглощать в себя влагу из окру­жающей среды и влагопроницаемостью, т.е. способностью про­пускать сквозь себя воду. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

На водопоглощение материала существенное влияние оказывает его структура и химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильнопористые материалы, в частности волокни­стые, обладают большим водопоглощением. Определение водопоглощепия по увеличению массы увлажняемого образца дает некото­рое представление о способности материала поглощать влагу.

Любой пористый конструкционный материал (металлический, керамический, стеклокерамический или полимерный) - это, как правило, сочетание твердого вещества с пустотами - порами. Объем пор, их размеры и характер распределения оказывают значительное влияние на ряд свойств изделий и материалов. Так, например, меха­ническая прочность керамики зависит не только от общей пористо­сти, но и от размера пор, равномерности их распределения. Бес­спорно, что с увеличением пористости прочность керамики уменьшается за счет увеличения дефектности структуры и снижения прочности связей.

Установлено, что объем пор, заполненных водой, определяет морозостойкость изделий; количество, размер и характер распреде­ления пор во многом определяют шлакоустойчивость футеровки печей; пористость влияет на теплопроводность материалов.

Поры в материалах имеют разнообразную форму, очертания, мо­гут быть неравномерно распределены по объему, поэтому полную характеристику пористости получить чрезвычайно трудно, даже при использовании современных поромеров. Несмотря на разнооб­разие форм, поры можно подразделить на:

1. Закрытые поры - недоступные для проникновения в них жидкости и газа.

2. Открытые - поры, доступные для проникновения.

Открытые поры в свою очередь делятся на:

1) тупиковые - поры, заполняемые жидкостью и газом, откры­тые с одной стороны;

2) каналообразующие - открытые с обоих концов поры, соз­дающие поровые каналы.

Влагопроницаемость материала обуславливается, прежде всего, каналообразующими порами при наличии на их открытых концах перепадов давления. Пористость и проницаемость - важные харак­теристики текстуры для всех типов технических материалов.

Поскольку прямые методы измерения пористости материалов чрез­вычайно сложны, то этот показатель часто оценивается путем опреде­ления других свойств, непосредственно зависящих от пористости. К таким показателям относится плотность материала и водопоглощение.

Ознакомимся с некоторыми определениями.

Истинная плотность - отношение массы материала к его объе­му без учета пор.

Кажущаяся плотность - это отношение массы тела ко всему занятому им объему, включая поры.

Относительная плотность - отношение кажущейся плотности к истинной плотности. Она представляет объемную долю твердого вещества в материале.

Водопоглощение - это отношение массы воды, поглощенной материалом при полном насыщении, к массе сухого образца (выражают в процентах).

Измерив вышеуказанные характеристики, можно оценить об­щую, открытую и закрытую пористость керамики.

Истинная (общая) пористость - суммарный объем всех пор от­крытых и закрытых, выраженный в % к общему объему материала. Эта величина обозначается П и и численно равна сумме закрытой и открытой пористости.

Кажущаяся (открытая) пористость - это отношение объема всех открытых пор тела (заполняемых водой при кипячении) ко всему объему материала, включая объем всех пор. Величину обозначают П 0 и выражают в %.

Закрытая пористость - это отношение объема всех замкнутых пор тела к его объему, включая объем всех пор, обозначают ее через П 3 и выражают в %.

Водопоглощение полимерных материалов

При невысоких температурах и небольшом времени контакта воды с полимером набухание имеет ограниченный характер и рас­пространяется на небольшую… В композиционных материалах, которыми и являются пластмас­сы, водостойкость… Пластмассы- это неметаллические материалы на основе при­родных или синтетических высокомолекулярных соединений…

Классификация пластмасс

Пластмассы можно классифицировать по различным признакам, например, по составу, отношению к нагреванию и растворителям и т.д.

По составу пластмассы делятся на:

1) ненаполненные. Представляют собой смолу в чистом виде.

2) наполненные (композиционные). Содержат, кроме смолы, на­полнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители и специ­альные добавки.

Наполнители добавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения механических свойств, уменьшения усадки и снижения стоимости материала (стоимость наполнителя ниже, чем стоимость смолы). Однако наполнитель повышает гигроскопичность пласт­масс и ухудшает электрические характеристики.

Пластификаторы (глицерин, касторовое или парафиновое мас­ло) вводят в количестве 10-20% для уменьшения хрупкости и улуч­шения формуем ости.

Стабилизаторы (сажа, сернистые соединения, фенолы) вводят в количестве нескольких процентов для замедления старения, что ста­билизирует свойства и удлиняет срок эксплуатации. Старение - са­мопроизвольное необратимое изменение важнейших эксплуатацион­ных характеристик материала в процессе эксплуатации и хранения., происходящее в результате сложных физико-химических процессов.

Отвердители вводят также в количестве нескольких процентов для соединения полимерных молекул химическими связями.

Специальные добавки - смазки, красители, для уменьшения статических зарядов, для уменьшения горючести, для защиты от плесени.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляются порообра-зователи - вещества, которые при нагреве размягчаются, выделяя большое количество газов, вспенивающих смолу.

По отношению к нагреванию и растворителям пластмассы де­лятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) - полимеры кото­рые могут многократно размягчаться при нагреве и твердеть при ох­лаждении без изменения свойств. В этих полимерах между молеку­лами действуют слабые силы Ван-дер-Ваапьса, и нет химических свя­зей. Термопласты обладают также растворимостью в растворителях.

Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании до определенной температуры расплавляются и в результате хими­ческих реакций при этой же температуре при охлаждении твердеют (как говорят, «запекаются»), превращаясь в жесткое, неплавящееся и нерастворимое вещество. В этом случае, наряду со слабыми сила­ми Ван-дер-Ваальса, действуют прочные химические связи между молекулами, называемые поперечными. Их возникновение и со­ставляет суть процесса отверждения полимера.

По убывающему влиянию наполнителя пластмассы разделяют на следующие виды:

1) с листовым наполнителем (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древестно-слоистый пластик);

2) с волокнистым наполнителем (волокнит, асбоволокнит, стекловолокнит);

3) с порошковым наполнителем (фенопласты, аминопласты,

эпоксидные пресс-порошки);

4) без наполнителя (полиэтилен, полистирол);

5) с газовоздушным наполнителем (пенопласты).

Гетинакс состоит из двух или более слоев прочной, нагрево-стойкой, пропиточной бумаги, обработанной термореактивной фе-нолформальдегидной смолой резольного типа (бакелитом). С целью повышения нагревостойкости в некоторые марки гетинакса допол­нительно вводят кремнийорганические вещества, а для повышения клеящей способности - эпоксидные смолы. Гетинакс - дешевый материал, используемый в РЭА для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований печатных плат.

Нагревостойкость гетинакса - 135°С. Недостатки: легкость рас­слаивания вдоль листов наполнителя, гигроскопичность (это ухуд­шает электроизоляционные свойства). Для защиты от влаги поверх­ность покрывают лаками.

Текстолит - прессованный материал на основе листов хлопча­тобумажной ткани, пропитанной, как и гетинакс, бакелитом. Он легче обрабатывается, чем гетинакс, имеет более высокие водо­стойкость, прочность при сжатии и ударную вязкость. Текстолит дороже гетинакса в 5-6 раз. Нагревостойкость 150°С.

Стеклотекстолит - материал, состоящий из двух или более сло­ев бесщелочной стеклоткани, пропитанной различными термореак­тивными смолами.

Стеклотекстолит, по сравнению с гетинаксом и текстолитом, об­ладает повышенной влагостойкостью, нагревостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами, но хуже обрабаты­вается механически. Стеклотекстолит имеет хорошую демпфирую­щую способность (способность гасить вибрации) и превосходит в этом отношении стали, сплавы титана. По тепловому расширению он близок к сталям. Нагревостойкость - 185°С. Стеклотекстолит нахо­дит широкое применение, так как в нем сочетаются малый вес, высо­кая прочность, Нагревостойкость и хорошие электрические свойства.

Древесно-слоистый пластик - материал с наполнителем в виде опилок или шпона.

Листовые фольгированные пластмассы имеют специальное назначение и применяются для изготовления плат с печатным мон­тажом. Они представляют собой слоистую пластмассу, облицованную с одной или двух сторон медной фольгой, полученной электро­литическим путем.

Такой способ получения фольги обеспечивает однородный состав и шероховатую поверхность с одной стороны, что улучшает сцепление фольги с диэлектриком при приклеивании. Композиционные пластмассы с наполнителем в виде хлопчатобумажных волокон и тканей, а также на основе древесных материа­лов могут иметь высокое водопоглощение за счет наполнителя. Со­гласно ГОСТу 4650-73, водопоглощение полимерных материалов определяется при нахождении образца в воде в течение 24 ч при комнатной температуре (либо при кипячении в течение 30 мин).

Таблица 5.1.

Свойства пластмасс

2. Пластмассы стойки к долговременному действию промыш­ленных агрессивных сред и применяются для изготовления защит­ных покрытий па металлы.… 3. Под действием окружающей среды пластмассы медленно ста­реют, то есть… 4. Большинство полимеров может длительно работать лишь при температурах ниже 100°С. Выше этой температуры, как…

Пористые керамические и стеклокерамические материалы

1) получение исходных порошков, 2} консолидация порошков, т.е. изготовление компактных мате­риалов; 3) обработка и контроль изделий.

Пористые металлические материалы

Высокопористые порошковые металлические материалы, благо­даря жесткому пространственному каркасу, имеют более высокую прочность. Они выдерживают… Технология изготовления металлических пористых элементов за­висит от формы и…

Экспериментальная часть

1. Определить водопоглощение полимерных материалов.

1.1. Взвесить образцы полимерных материалов до испытания (масса m 1).

1.2. Образцы поместить в химический стакан с водой, довести до. кипения и выдержать при температуре кипения 30 мин.

1.3. Извлечь образцы из химического стакана, промокнуть фильт­ровальной

бумагой и взвесить (масса m 2).

1.4. Результаты измерений занести в табл. 5.2.

1.5. Определить водопоглощение каждого образца по формуле

Таблица 5.2

2. Определить водопоглощение и открытую пористость стекло-I керамических материалов.

2.1. Взвесить образцы стеклокерамических материалов. Измерить размеры образцов, необходимые для вычисления объема с помощью штангельциркуля.

2.2. Поместить образцы в химический стакан, довести до кипе­ния и выдержать при температуре кипения 60 мин.

2.3. Извлечь образцы из химического стакана, взвесить. Внима­ние! Образцы не следует тщательно промокать, т.к. из относитель­но крупных нор удалится вода.

2.4. Определить водопоглощение каждого образца по вышеприведенной формуле.

2.5. Определить кажущуюся плотность образцов, используя формулу

2.6. Вычислить кажущуюся (открытую) пористость П к:

2.7. Результаты вычислений занести в табл 5.3.

Таблица 5.3

3. По экспериментальным результатам провести сравнительный анализ и сформулировать выводы.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Такая специальность, как «Материаловедение и технология материалов» в последнее время стала пользоваться спросом среди абитуриентов. Рассмотрим основные особенности данного направления, его характеристики.

Область профессиональной деятельности специалистов

Направление «Материаловедение и технология материалов» включает:

• исследование, разработку, использование, модификацию, эксплуатацию, утилизацию материалов органической и неорганической природы разного направления;
• технологии их создания, структурообразования, обработки;
• управление качеством для приборостроения и машиностроения, ракетной и авиационной техники, бытовой и спортивной техники, медицинского оборудования.

Объекты деятельности магистров

Специальность «Материаловедение и технология материалов» связана со следующими объектами деятельности:

• с основными типами функциональных органических и неорганических материалов; гибридными и композитными материалами; нанопокрытиями и полимерными пленками;
• средствами и способами диагностики и испытаний, исследованиями и контролем качества пленок, материалов, покрытий, заготовок, полуфабрикатов, изделий, все разновидности испытательного и контрольного оборудования, аналитической аппаратуры, программного компьютерного обеспечения для обработки результатов, а также анализа данных;
• технологическими производственными процессами, обработкой и модификацией покрытий и материалов, оборудования, технологической оснасткой, системами управления производственными цепочками.

Специальность «Материаловедение и технология материалов» предполагает владение навыком анализа нормативно-технической документации, систем сертификации изделий и материалов, отчетной документацией. Магистр должен знать документацию по безопасности жизнедеятельности и по технике безопасности.

Направления подготовки

Специальность «Материаловедение и технологии материалов» связана с подготовкой по следующим видам профессиональной деятельности :

• Научно-исследовательской и расчетно-аналитической работы.
• Производственной и проектно-технологической деятельности.
• Организационно-управленческого направления.

Получив специальность «материаловедение и технологии материалов», кем работать? Выпускник, который успешно проходит итоговую аттестацию, получает квалификацию «магистр-инженер». Он может трудоустроиться в различные компании, чтобы осуществлять расчетно-аналитическую и научно-исследовательскую деятельность.

Кроме того, специальность «Материаловедение и технология новых материалов» дает возможность проводить научные и прикладные эксперименты, участвовать в процессах создания и испытания инновационных материалов, новых изделий.

Магистры, имеющие подобную квалификацию, занимаются разработкой рабочих планов, программ, методик, направленных на создание технологических рекомендаций для внедрения инноваций в производственный процесс, занимаются подготовкой определенных заданий для рядовых работников.

Специфика направления

Специальность «материаловедение и технология конструкционных материалов» предполагает подготовку публикаций, обзоров, научно-технических отчетов по итогам проведенных исследований. Такие специалисты проводят систематизацию научной, инженерной, патентной информации по проблеме исследования, отзывов и заключений на внедренные проекты.

Инженеры, которые освоили направление «материаловедение и технологии материалов», занимаются не только проектно-технологической, но и производственной деятельностью.

Особенности направления

Инженеры, получившие подобную специализацию, занимаются подготовкой заданий на разработку проектной документации, проводят патентные исследования, направленные на создание инновационных направлений. Они ищут оптимальные варианты переработки и обработки различных материалов, устройств, установок, их технологического оснащения с помощью автоматических систем проектирования.

Дипломированные специалисты проводят оценку экономической рентабельности определенного технологического процесса, принимают участие в проведении анализа альтернативных способов производства, организуют обработку и переработку продукции, участвуют в процессе сертификации изделий, технологий.

Специфика обучения

Бакалавры в этом профиле обучаются следующим навыкам:

• подбирать информацию об имеющихся материалах, используя базы данных, а также разнообразные литературные источники;
• анализировать, отбирать, оценивать по эксплуатационным характеристикам материалы, выполняя при этом структурный комплексный анализ;
• коммуникативным навыкам, а также умению работать в команде;
• собирать информацию в сфере осуществляемых экспериментов, составлять отчеты, обзоры, определенные научные публикации;
• оформлять документы, записи, протоколы опытов.

Бакалавры имеют навыки проверки создаваемых проектов на полное соответствие всем законодательным нормативам. Они проектируют высокотехнологические процессы, предназначенные для начальных исследовательских и проектно-технологических структур, организуют и оснащают рабочие места необходимым оборудованием.

Обязанности

Обладатели диплома с направлением «материаловедение и технология материалов», обязаны проводить диагностику оборудования. Особое внимание они уделяют экологической безопасности на рабочих местах. При разработке технических заданий для создания определенных узлов в сложных механизмах, инженеры учитывают их эксплуатационные особенности.

После завершения работ, проводят проверку соответствия полученных результатов заявленным условиям, безопасность работы созданных механизмов. Именно эти специалисты занимаются подготовкой документов для регистрации новых изображений, составляют специальную техническую документацию.

Очень часто свой профессиональный путь выпускники начинают с должности «инженер по химическому и спектральному анализу», а также «инженер-испытатель покрытий и материалов».

Заключение

Получив специальность «Материаловедение и технологии материалов», у новоиспеченного специалиста не возникнет проблем с трудоустройством. Он может стать инженером на любом крупном заводе или комбинате. Те специалисты, которые имеют определенные познания в области обработки металлов и диплом о высшем образовании, могут рассчитывать на должности технолога-термиста и дефектоскописта.

Достаточное количество промышленных предприятий и организаций тяжелой промышленности нуждаются в металлургах и металлографах. Если изначально овладеть теоретическими знаниями в сфере обработки металлов, в таком случае можно сначала трудоустроиться на должность инженера, продолжить обучение, получив специализацию «инженер по химическому и спектральному анализу» либо «инженер-испытатель покрытий».

Специальность «Материаловедение и технологии материалов» настоящее время стала одной из основных дисциплин для тех студентов, которые занимаются машиностроением.

Студенты изучают ассортимент тех материалов, которые уже используются в тяжелой промышленности, а также прогнозируют создание новых веществ, предназначенных для металлургической отрасли.

На сегодняшний день отрасль «Материаловедение» играет важную роль в развитии научно-технического прогресса. Так получилось, что материаловедение способно охватить каждую область человеческой деятельности, что и делает ее весьма актуальной и востребованной в наше время новых технологий.

В честь открытия нового сайта мы решили поинтересоваться у зав. кафедрой «Машиностроение и материаловедение» Еремина Евгения Николаевича, что происходит в отрасли на данный момент и что ждет наших студентов - выпускников в будущем.

Евгений Николаевич, что представляет собой отрасль материаловедения сегодня?

Невозможно представить нашу жизнь без материалов. Получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень своего развития, научно-технический и экономический потенциал государства. Прогрессивные идеи многих ученых и инженеров по созданию новых машин долгое время не могли быть воплощены в жизнь из-за отсутствия соответствующих материалов с высокими физико-механическими свойствами. 20 век ознаменовался крупными достижениями в теории и практике материаловедения: были созданы высокопрочные материалы для деталей и инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, открыты сверхпроводники, применяющиеся в энергетике и других отраслях техники,. Одновременно совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

Особенно интенсивно развивается материаловедение в последние десятилетия. Это объясняется потребностью в новых материалах для исследования космоса, развития электроники, атомной энергетики. Для этого понадобилось включение в число промышленных материалов почти всех элементов периодической системы.

Сегодня в России имеется целый ряд известных во всем мире научных центров, занимающихся разработкой материалов, способных надежно работать в условиях различных воздействий. В них создаются все новые и новые материалы, которые выводят промышленное производство на новый уровень.

Решение важнейших технических задач, связанных с экономным расходом материалов уменьшением массы машин и приборов во многом зависит от развития материаловедения. Непрерывный процесс создания новых материалов для современной техники обогащает науку о материалах.

С какой сферой деятельности связана будущая профессия выпускников?

На сегодняшний день отрасль материаловедения представляет собой высокотехнологическую сферу деятельности. Материаловедение входит в перечень приоритетных направлений разработок во всех развитых странах мира и сама по себе является одной из наиболее востребованных отраслей.

Западная Сибирь является крупным центром общего, специального и транспортного машиностроения, приборостроения, строительной индустрии. Эти отрасли относятся к числу ведущих отраслей экономики г.Омска и вносят существенный вклад в занятость экономически активного населения. Промышленное производство является одной из наиболее динамично развивающихся сфер экономической деятельности Омского региона. Здесь расположено большое количество соответствующих предприятий, проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций, имеющих общероссийское и международное значение. Изготовление изделий методами давления, литья и сварки являются основой заготовительного производства любого предприятия. В тоже время проектирование рациональных и конкурентноспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения, которые являются важнейшим показателем образованности современного дипломированного специалиста.

Все это требует подготовки соответствующих специалистов машиностроительного профиля в том числе и материаловедов и обуславливает необходимость высококвалифицированных кадров для предприятий, организаций и НИИ.

Профессиональная деятельность выпускников машиностроительного института связана с технологическими процессами получения, обработки и переработки современных материалов; изучением их химического состава, фазового состояния; сертификацией материалов и покрытий, с технологическими процессами их получения, а также с обработкой и диагностикой оборудования. Уверен, что под руководством своих преподавателей и наставников наши студенты в полной мере овладевают научной специальностью и становятся профессионалами в своей области деятельности.

Основными потребителями бакалавров и магистров машиностроительного профиля являются крупные современные предприятия оборонных отраслей промышленности, такие как ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева» ПО «Полет», ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (филиал «ОМО им. П.И. Баранова»), ФГУП ОмПО «Иртыш», ФГУП НИИД, ФГУП «Омсктрансмаш», ФГУП «Приборостроение», ОАО Омскагрегат, ООО НТК «Криогенная техника», ФГУП ОПЗ им. Козицкого, ОАО «Сибирские приборы и системы», ОАО «Сатурн»,ОАО «Конструкторское бюро транспортного машиностроения», ОАО «Машиностроительное конструкторское бюро», ООО «Моторостроительное конструкторское бюро», ФГУП «Центральное конструкторское бюро автоматики», ФГУП «Омский научно-исследовательский институт приборостроения», а также предприятия других отраслей промышленности, такие как НПО «Мостовик», ОАО ОМУС-1, ООО «Литейно-механический завод», ООО «Омскэнергоремонт», ООО РМЗ «Сибнефть-ОНПЗ», ООО НТЦ «Транспорт», заводы сборного железобетона, ООО «Сибмонтажкомплект», ОАО «Высокие технологии», ОАО «Транссибнефть», ОАО «Нефтепроводстрой», ЗАО «Завод Сибгазстройдеталь» и многие другие.

Востребованность инженерных кадров по машиностроительным специальностям подтверждается заявками предприятий на целевую подготовку, в том числе в рамках Федерального целевого заказа для предприятий оборонно-промышленного комплекса (ОПК).

Что вы пожелаете нашим студентам?

Всех наших студентов поздравляю с Новым Годом. От души желаю всем Вам крепкого здоровья, благополучия и исполнения надежд и, конечно, успешной сдачи неумолимо надвигающейся сессии, результатом которой будет стипендия, а может и несколько стипендий одновременно, общая сумма которых у некоторых студентов достигает 10-15 тысяч рублей.

Будьте активны, успешны и счастливы, дорогие друзья!

Материаловедение и технология
материалов
Тема № 1 «Введение»
1

СОДЕРЖАНИЕ ЛЕКЦИИ:
I. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
II. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Учебные вопросы:
1. Современные материалы в промышленности, технике и
аппаратах, их причастность пожарам, авариям и катастрофам
2. Строение металлов
III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2

Основные задачи предмета заключаются в изучении:
- структуры материалов, ее формирования при кристаллизации,
диффузионных процессов в металлах, аллотропических
превращений под действием температуры; строения металлических
сплавов, структурных составляющих железоуглеродистых сплавов и
диаграммы состояния железо-углерод;
- технологических основ производства чугунов и сталей, их
классификации, маркировки и области применения;
- классификации и сущности способов получения и соединения
заготовок, основ термической и химико-термической обработки
деталей;
- основ производства деталей методом порошковой металлургии и
деталей из полимерных материалов;
Структура предмета обосновывается его задачами и включает
изучение двух разделов:
I. Материаловедение.
II. Технология материалов.
3

1. Конструкционные металлы и сплавы –
основа современной техники
Все материалы по своей применимости делятся на три группы:
конструкционные;
вспомогательные;
эксплуатационные.
Каждая из названных групп включает различные виды материалов.
Конструкционные материалы предназначены для изготовления деталей машин,
конструкций и сооружений. Среди конструкционных материалов главными
являются металлы.
Они условно подразделяются на два вида:
черные металлы и их сплавы;
цветные металлы и их сплавы.
Из черных металлов наибольшее распространение получило железо и его
сплавы с углеродом – называемые сталями и чугунами.
Из цветных металлов в качестве конструкционных наибольшее применение
нашли такие материалы как: алюминий, медь, цинк и др.
К вспомогательным материалам относятся следующие виды материалов:
пластмассы, резина, различные композиционные материалы, древесина,
силикатные материалы и т.д.
Из группы эксплуатационных материалов можно отметить различные
горючесмазочные и лакокрасочные, тормозные и охлаждающие жидкости.
4

Металлами называются вещества, обладающие высокой
электропроводностью, теплопроводностью, пластичностью и
своеобразным металлическим блеском. Данные свойства
обусловлены особенностями строения металлов.
Согласно теории металлического состояния, металл представляет
собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по
орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число
электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют
возможность перемещаться по всему объему металла, т.е.
принадлежать
целой
совокупности
атомов.
Таким
образом,
пластичность,
теплопроводность
и
электропроводность
обеспечиваются наличием «электронного газа»
Из всех металлов и сплавов наиболее важную роль играют черные
металлы, а именно железо и его сплавы – стали и чугуны. Из других
наиболее интенсивно развивается производство алюминия и его
сплавов. Основой широкого применения металлов, как основного
конструкционного материала, являются их высокие механические
свойства.
5

Металлический тип связи

1 – атомное ядро;
2 – атомный остов;
3 – обобщенные электроны
6

2. Строение металлов
Общим для всех металлов и сплавов является кристаллическое строение, что
хорошо наблюдается на изломах деталей. Оно характерно тем, что атомы
металлов и сплавов образуют пространственно - кристаллическую решётку,
состоящую из элементарных кристаллических ячеек (объёмов металла),
расположенных строго упорядоченно по всем осям координат.
Типы элементарных кристаллических ячеек у разных металлов различны.
Неодинаков и порядок расположения атомов в решётках.
Многие важнейшие металлы образуют кристаллическую решётку с
элементарными ячейками в виде куба с ядром в центре, то есть решётку
объемно-центрированного куба (хром, вольфрам, молибден, ванадий и др.);
Другие металлы, как, например медь, никель, алюминий, свинец и др.,
образуют решётку с элементарной ячейкой также в виде куба, но с атомами,
расположенными не только в узлах куба, но и в середине каждой грани, то есть
ячейки с гранецентрированным кубом;
Третьи металлы, например магний, титан, цинк и др. образуют решётку из
пространственной призмы, то есть гексагональную плотноупакованную.
o
o
Атомы в ячейках распложены взаимно упорядоченно. Силы притяжения и отталкивания в
ячейке уравнены. Тело сохраняет свою форму, объём и обладает большим
сопротивлением сдвигу.
Расстояние между соседними атомами в элементарной ячейке определяют размеры этой
ячейки, которые измеряются в ангстремах, обозначаются буквой Å, 1Å=1 10-8 см
7

Атомно-кристаллическое строение металлов

а
б
а – гексагональная плотноупакованная; б
в – кубическая объемно-центрированная
в
– кубическая гранецентрированная;
8

В кристаллических материалах расстояние между атомами в разных
кристаллографических направлениях различны. Из-за неодинаковой
плотности атомов, в разных направлениях кристалла наблюдаются
разные свойства.
Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания
называется анизотропией.
Разница в физико-химических и механических свойствах кристаллов в
разных направлениях может быть весьма существенной. Анизотропия
характерна для одиночного кристалла. Для большинства технических
металлов,
затвердевших
в
обычных
условиях,
имеется
поликристаллическое
строение,
ориентированное
в
различных
направлениях. Поэтому такое тело характеризуется квазиизотропией,
то есть кажущейся независимостью свойств от направления испытания.
При обработке давлением большинство зёрен металла приобретает
примерно одинаковую ориентировку, и металл становится анизотропным.
Это может приводить к деформации изделия (расслоению, волнистости)
Это, соответственно должно учитываться при конструировании и
разработке технологии получения детали.
9

Некоторые металлы изменяют своё
кристаллическое строение, то есть тип
кристаллической решётки, в
зависимости от изменения внешних
условий – температуры и давления.
Процесс перегруппировки атомов и
переход одного вида кристаллической
решётки в другую называется
аллотропическим превращением.
Модификация одного и того же
металла, но с разной кристаллической
решёткой обозначается начальными
буквами греческого алфавита α, β, γ, δ
Так, у железа существует все 4 аллотропических превращений, происходящих при
разных температурах и обозначаемых Feα , Feβ , Feγ и Feδ (рис); аналогичные
модификации имеет марганец. Аллотропией обладают около 30 металлов
10

3. Диффузионные процессы в металле, формирование
структуры металлов и сплавов при кристаллизации
Рассмотренные выше кристаллические решетки являются идеальными. Однако в
реальных условиях в металлах в их твёрдом состоянии имеют место диффузионные
процессы, то есть перемещение атомов из своих нормальных положений. Скорость
диффузии мала, но увеличивается с повышением температуры. При определенной
температуре, когда амплитуда колебаний атомов сильно увеличивается, возможен
срыв атома со своего места и переход его на другое, освобожденное другим атомом.
Колебания и диффузия атомов обуславливает наличие большого количества
дефектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в
кристаллической решётке, и оказывающих существенное влияние на свойства
материала.
Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные
и поверхностные
точечные дефекты: а – вакансии;
б – дислокации.
Точечные дефекты – дефекты, размеры которых во всех
трех измерениях не превышают одного или нескольких
межатомных расстояний.
К точечным дефектам относятся вакансии - наличие
свободных мест (отсутствие атомов) в узлах
кристаллической решетки;
дислокации - наличие атомов основного вещества,
перемещенных из узла в позицию между узлами;
чужеродные атомы внедрения;
чужеродные атомы замещения.
11

Линейные несовершенства имеют малые размеры в двух измерениях и
большую протяженность в третьем измерении. Этими несовершенствами
могут быть ряд вакансий или ряд межузельных атомов. Особыми и
важнейшими видами линейных несовершенств являются дислокации –
краевые и винтовые
Краевая дислокация представляет собой
линию QQ", вдоль которой обрывается внутри
кристалла край “лишней“ полуплоскости или
экстраплосткости PP"QQ‘
Винтовая дислокация – это прямая линия EF,
вокруг которой атомные плоскости изогнуты по
винтовой поверхности. Обойдя верхнюю
атомную плоскость по часовой стрелке,
приходим к краю второй атомной плоскости и
т.д. В этом случае кристалл можно представить
как состоящий из одной атомной плоскости,
закрученной в виде винтовой поверхности.
линейные дефекты: а – краевые
дислокации; б – винтовая дислокация
Винтовая дислокация так же, как и краевая,
образована неполным сдвигом кристалла по
плоскости Q. В отличие от краевой дислокации
винтовая дислокация параллельна вектору
сдвига.
12

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух
других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков
кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, границы фрагментов
внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему
кристаллическому строению имеют неодинаковую пространственную ориентировку
решеток.
Блоки повернуты друг по отношению к
другу на угол от нескольких секунд до
нескольких минут, их размер 10–5 см.
Фрагменты
имеют
угол
разориентировки не более 5°.
Если угловая разориентировка решеток
соседних зерен меньше 5°, то такие
границы называются малоугловыми
границами.
Граница между зернами представляет собой узкую переходную зону шириной 5–10
атомных расстояний с нарушенным порядком расположения атомов. В граничной
зоне кристаллическая решетка одного зерна переходит в решетку другого.
13

Кристаллизация

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком,
газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние
в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.
С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону
различно для жидкого и кристаллического состояний.
В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество
должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS – в твердом.
Кристаллизация – это процесс образования участков
кристаллической решетки в жидкой фазе и рост
кристаллов из образовавшихся центров.
При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают
одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в
равновесии,
поэтому две
фазы
могут
существовать
одновременно бесконечно долго.
изменение свободной энергии
жидкого и твердого состояний в
зависимости от температуры
Температура Тs – равновесная
температура кристаллизации.
или
теоретическая
Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической
температурой кристаллизации Ткр. Разность между теоретической и фактической температурой
кристаллизации называется степенью переохлаждения: ΔТ=ТS–Ткр.Чем больше степень
переохлаждения, тем интенсивнее будет идти кристаллизация. Степень переохлаждения зависит от
14
природы металла, от степени его загрязненности, от скорости охлаждения.

Переход металла из жидкого состояния в твердое
При нагреве всех кристаллических тел, в том числе и металлов, всегда наблюдается четкая
граница перехода из твердого состояния в жидкое и обратно.
Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить
кривыми в координатах время – температура.
Кривая охлаждения чистого металла
До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии,
процесс сопровождается плавным понижением
температуры. На участке 1–2 идет процесс
кристаллизации, сопровождающийся выделением
тепла, которое называется скрытой теплотой
кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание
теплоты в пространство, и поэтому температура
остается
постоянной.
После
окончания
кристаллизации в точке 2 температура снова
начинает снижаться, металл охлаждается в твердом
состоянии.
Процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов: зарождения
центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.
Размер зерна металла сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства,
особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет мелкое зерно.
15

Каждый кристалл металла ориентирован в пространстве произвольно. Форма
кристаллов - произвольная. Форма первичных кристаллов напоминает форму
дерева, поэтому их называют дендритами. Такая форма кристаллов
объясняется тем, что зародыши растут в направлении с минимальным
расстоянием между атомами, то есть образуется главная ось, а затем
начинают расти оси второго порядка и т.д. Последние порции жидкого металла
заполняют межосные пространства. Правильная форма дендрита искажается
в результате их соприкосновения в процессе роста.
С учетом этого в слитке наблюдается: по
границам зерен- мелкозернистая структура,
а в центре слитка – зона крупных
неориентированных
кристаллов.
Может
образовываться даже рыхлость, усадочные
раковины.
Это вторичные дефекты (по сравнению с
первичными в кристаллической решетке.
Вторичные дефекты структуры (раковины,
рыхлости) устраняются термообработкой.
Первичные дефекты (в решетке) не
устраняются.
Кинетика процесса кристаллизации
16

Литература
Основная:
1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие /
Под ред. В.С. Артамонова – СПбУ ГПС МЧС России, 2011. – 312 с
2. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие
для вузов. Под ред. Чередниченко В. С. – 4-е изд., стер. – М.: Омега-Л, 2008. – 752 с.
3. Материаловедение и технология материалов: курс лекций. Под ред. Артамонова
В.С.; МЧС России. – СПб. : СПбУ ГПС МЧС России, 2008. – 112 с.
Дополнительная:
1. Материаловедение и технология металлов. Под ред. Фетисова Г.П. Учебник. –
М. : Высш. шк., 2001. – 637 с.
2.
Жадан В.Т., Полухин П.И., Нестеров А.Ф. и др. Материаловедение и технология
материалов. – М.: Металлургия, 1994. – 622 с.
3.
Материаловедение и технология материалов. Под ред. Солнцева Ю.П. – М.:
Металлургия, 1988. – 512 с.

Выпускнику бакалавриата по специальности 050710 – Материаловедение и технология новых материалов присуждается академическая степень бакалавра материаловедения и технологии новых материалов.
Квалификации и должности определяются в соответствии с «Квалификационным справочником должностей руководителей, специалистов и других служащих», утвержденным приказом Министерства труда и социальной защиты от 22.11.2002 г. № 273-П.
Квалификации и должности:
- технолог-термист;
- химик-технолог;
- техник-лаборант и др.

Квалификационная характеристика бакалавра специальности 050710 - Материаловедение и технология новых материалов

Сфера профессиональной деятельности
Специалисты, окончившие бакалавриат, выполняют производственно-технологическую и организационную работу на промышленных предприятиях, а также проводят экспериментально-исследовательскую работу по изучению структуры и свойств материалов.
Объекты профессиональной деятельности
Объектами профессиональной деятельности выпускников являются заводы черной и цветной металлургии, машиностроительные и приборостроительные заводы, заводы химического производства, отраслевые научно-исследовательские и проектные институты, лаборатории, высшие и средне-технические учебные заведения.
Предметы профессиональной деятельности
К предметам профессиональной деятельности относятся: производственное технологическое оборудование, установки и приборы, предназначенные для изучения структуры и свойств материалов, технологии получения и обработки новых материалов, а также готовых изделий из них.
Виды профессиональной деятельности
Бакалавры по специальности 050710 – Материаловедение и технология новых материалов могут выполнять следующие виды профессиональной деятельности:
- производственно-технологическая;
- организационно-управленческая;
- расчетно-проектная;
- монтажно-наладочная;
- экспериментально-исследовательская.
Функции профессиональной деятельности
К функциям профессиональной деятельности относятся: организация и управление производством, контроль за осуществлением технологических процессов, контроль качества материалов, анализ экологических и экономических показателей работы производственных участков. Совершенствование технологических процессов получения и обработки материалов.
Типовые задачи профессиональной деятельности:
- исследование химического и фазового состава, структуры и свойств материалов;
- получение новых материалов, разработка технологий их термической и химико-термической обработки, обработки давлением и внедрения их в производство;
- изучение устройства и работы технологического оборудования, установок и приборов;
- создание основ новых технологических процессов получения материалов и их обработки, внедрение в производство.
Направления профессиональной деятельности:
- организационно-управленческая работа;
- производственно-технологическая работа;
- экспериментально-исследовательская работа;
- расчетно-проектная работа.
Содержание профессиональной деятельности
- изучение структуры и свойств материалов. Создание прогрессивных технологий получения и обработки новых материалов;
- создание производств по получению готовых изделий, соответствующих по качеству требованиям рыночной экономики, и оптимальной структуры их управления;
- анализ работы производственных участков предприятий по получению материалов, готовых изделий и их обработки, внедрение в производство достижений науки и техники, способов получения и обработки новых материалов;
- анализ технических возможностей производственных установок и приборов;
- разработка технологических схем, технических указаний, маршрутных карт и других технических документаций, необходимых для обеспечения новых технологических процессов;
- анализ экономических и экологических проблем производства материалов;
- освоение теории и практики материаловедения, умение применять на практике методы изучения структуры и свойств материалов;
- освоение современных физических методов, используемых в материаловедении. Знать устройство и работу современных сложных физических приборов и установок;
- создание математических моделей строения и свойств материалов, а также технологий их обработки.
Требования к ключевым компетенциям бакалавра по специальности 050710 – Материаловедение и технология новых материалов
Бакалавр по специальности 050710 – Материаловедение и технология новых материалов должен:
знать:
- о взаимосвязи между фазовым составом, структурой и свойствами материалов, технологические процессы, устройство и работу научных и технологических приборов и оборудования;
иметь представление:
- об основах материаловедческой науки, об основных направлениях ее развития и достижениях науки и техники в этой области;
уметь:
- применять на практике методы изучения структуры и свойств материалов;
иметь навыки:
- выполнения работ по получению новых материалов и их обработки, математической обработки результатов научных исследований, составления технологических карт;
быть компетентным:
- в вопросах технической и экологической безопасности, защиты жизнедеятельности человека, правовых норм и экономических проблем.

Общеобразовательные дисциплины
Обязательный компонент
История Казахстана
Казахский (русский) язык
Иностранный язык
Информатика
Экология
Философия
Компонент по выбору

Базовые дисциплины
Обязательный компонент
Математика I
Математика II
Физика 1
Физика 2
Химия
Физическая и коллоидная химия
Электротехника
Начертательная геометрия и инженерная графика
Детали машин
Физическое материаловедение
Стандартизация, метрология и сертификация
Физические свойства материалов
Механические свойства материалов
Рентгенография
Компонент по выбору

Профилирующие дисциплины
Обязательный компонент
Охрана труда и безопасность жизнедеятельности
Экономика и организация производства
Новые материалы
Технологические процессы производства материалов
Технологическое оборудование производства материалов
Проектирование производства
Научные основы выбора материалов
Компонент по выбору

Дополнительные виды обучения
Физическая культура
Практика
Учебная
Производственная практика
Преддипломная

ПГК Промежуточный государственный контроль
Итоговая государственная аттестация
1) Написание и защита дипломной работы (проекта).
2) Государственные экзамены по специальности (дисциплина)

Перечень ВУЗов ведущих набор студентов по специальности 050710 – Материаловедение и технология новых материалов