ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО

«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Курс лекций для студентов специальности

«Организация управления и перевозок на транспорте»

Составитель проф. Воскресенский В.А.

Новокузнецк

2007

Содержание.

Введение

1. Внутреннее строение металлов и неметаллов.

2. Характеристики материалов.

   0. Механические свойства металлов и способы их определения.

   1. Оценка твердости материалов и способы её определения.

3. Металлы. Железо и его сплавы.

   0. Получение чугуна. Свойство чугуна.

   1. Схема доменного процесса.

3.2.1 Кокс и его получение.

3.2.2 Агломерат и его получение.

0. Виды чугуна и область его применения на транспорте.

1. Сталь.

   0. Мартеновское производство стали.

   1. Конвертерное производство стали.

   2. Электросталеплавильное производство.

2. Свойства стали и её разновидности. Маркировка стали. Свойства стали применяемой на транспорте.

3. Термическая обработка стали. Основные виды термической обработки. Механофизические способы обработки стали.

4. Цветные металлы.

   0. Медь и её сплавы.

7.1.1 Получение меди и область её применения.

7.1.2 Бронзы. Свойства и область применения.

7.1.3 Латуни. Свойства и область применения.

7.1.4 Медноникелевые сплавы и их свойства.

7.2 Алюминий и его сплавы.

7.2.1. Дюралюмины.

7.2.2 Дюралюминий, его характеристики и область применения на транспорте.

7.2.3. Силумин, его характеристики и область применения на транспорте.

8. Неметаллические материалы. Основные свойства.

8.1 Полимеры. Виды и характеристики. Область применения.

8.2 Пластические массы. Классификация, свойства наиболее часто применяемых на транспорте.

8.3 Композиты. Характеристики и области применения.

1. Внутреннее строение металлов и неметаллов.

Всякое вещество состоит из молекул, которые имеют одинаковые свойства у этого вещества. Молекула обладает химическими свойствами материала. Молекула каждого вещества состоит из различного количества атомов, которые соединяются друг с другом в различных соотношениях и способах.

Атомы наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Некоторые простые вещества имеют атомное строение. К ним относятся инертные газы и металлы. Атомы при взаимодействии с атомами другого вещества образуют молекулу нового химического вещества с новым комплексом химических и физических свойств.

Некоторые вещества в твёрдом и жидком состоянии имеют не молекулярную, а ионную структуру. В веществах, имеющих ионное или атомное строение, носителем химических свойств являются комбинации ионов и атомов, которые образую это вещество.

Металлами называют вещества, характерными признаками которых являются пластичность, теплопроводность, электропроводность и металлический блеск.

Атомы в металле располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решётку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов. Атомы металлов на внешней оболочке имеют 1, 2, 3 электрона. У неметаллов на внешней оболочке находятся от 4 до 7 электронов.

Металлическая связь – это связь, в которой электроны каждого отдельного атома принадлежат всем атомам, находящимся в контакте. При этом валентные электроны способны свободно перемещаться в объёме кристалла, легко перескакивая с орбиты одного атома на орбиты других, и становятся общими, образуя подобие электронного газа. Атомы при этом ионизируются. Свободные электроны являются переносчиками тепла, что обусловливает значительную теплопроводность металла. Под действием разницы потенциалов свободные электроны перемещаются в одном направлении, образуя электрический ток. Металлическая связь характерна для металлов, их сплавов и интерметаллических соединений. С повышением температуры усиливаются колебания атомов, что затрудняет движение электронов, поэтому электрическое сопротивление металлов растёт. При низких температурах колебание атомов уменьшается, а электропроводность возрастает.

Высокая пластичность металлов объясняется периодичностью атомной структуры и отсутствием направленности металлических связей. При механическом воздействии на твёрдое тело отдельные слои его кристаллической решётки смещаются относительно друг друга.

Каждый металл отличается строением атомной решётки, физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.

Твёрдые тела построены из молекул, атомов и ионов, прочно связанных между собой. Поэтому они имеют определённый объём и форму. Для изменения объёма и формы твёрдого вещества требуется усилие. Различают два состояния твёрдых веществ: кристаллическое и аморфное. Все металлы в твёрдом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы образуют пространственную кристаллическую решётку. Для каждого вещества

кристаллы имеют характерную для них форму.

На рисунке 1 показаны некоторые варианты кристаллических решёток.

Рис. Варианты кристаллических решёток.

На схеме рис.1: а)- представлена решетка в виде объёмно-центрированного куба ; б) –решётка гранецентрированного куба;

в)- гексагональная плотно упакованная решётка.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии или полиморфизма. Перестройка решеток при определённых критических температурах называются аллотропическими формами и обозначаются буквами греческого алфавита, которые добавляются к символу элемента. Так железо при температуре 1539-1400 имеет решётку объёмно-центрированного куба и обозначается Fe (бета-железо); при 1400-910 решётку гранецентрированного куба и обозначается Fe (гамма-железо) (немагнитное); при 910- 768- объёмно-центрированного куба и превращается в Fe ( бета-железо) ( немагнитное); при температуре менее 768 превращается в магнитное и обозначается Fe (альфа-железо).

Кроме железа свойством полиморфизма обладают марганец, кобальт, олово и др.

В зависимости от характера частиц, находящихся в узлах пространственной решетки различают молекулярные, атомные, ионные и металлические решётки.

Молекулярную решётку имеют большинство органических веществ, а также некоторые неорганические, например вода и аммиак. Вещества с молекулярной решёткой имеют сравнительно невысокую температуру плавления.

Атомная решётка имеет в узлах атомы, связанные общими электронными парами. Вещества с атомной решёткой очень тверды и имеют высокую температуру плавления.

Ионные кристаллические решётки имеют в узлах чередующиеся положительные и отрицательно заряженные ионы. Такие решётки характерны для солей, окислов и оснований.

Металлические решётки с нейтральными атомами размещают положительно заряженные ионы данного металла. Между ними свободно перемещаются электроны. Такое строение обуславливает металлический блеск, электро- и теплопроводность, пластичность.

Кристаллическая решётка разрушается при плавлении или растворении веществ.

Аморфные вещества – это агрегаты беспорядочно расположенных молекул. При нагревании они постепенно размягчаются, становятся жидкими.

Сплавы.

Для сплавов характерно объединение двух и более элементов. Такие элементы называются компонентами сплава. Кроме основных компонентов встречаются и примеси. Примеси могут, как улучшать свойства, так и ухудшать их.

В процессе перехода из жидкого состояния в твердое происходит формирование кристаллической решетки, сам процесс называется кристаллизацией. Структура сплава зависит от формы, ориентировки кристаллических решеток в пространстве и от скорости кристаллизации. Если при кристаллизации рост решеток не ограничен, то получаются кристаллы неограниченного размера древовидной формы – дендриты. Кристаллы неправильной формы называются зёрнами. Зерно – это комплекс одинаково ориентированных кристаллических решеток, а комплекс зерен – это поликристалл.

При переходе расплава из жидкого состояния в твёрдое, происходит усадка, в результате которой, между зёрнами в местах соприкосновения растущих дендритов, могут образовываться пустоты. Они заполняются примесями или образуют микроскопические усадочные раковины и поры. Последние ухудшают механические свойства сплавов.