1.«Материаловедение» – это наука, изучающая материалы, применяемые в технике; объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации и является основой для изучения технологических дисциплин при подготовке инженера.

Цель изучения дисциплины «Материаловедение» – познание природы и свойств материалов, а также методов их обработки для наиболее эффективного применения в технике.

Задачи изучения дисциплины – раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации и их влияние на свойства материалов. Установить взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Изучить теорию и практику термического, химико-термического и других способов упрочнения материалов. Изучить основные группы современных материалов, их свойства и области применении.

• 2.Природные (естественные) — без изменения состава и внутреннего строения:

  • неорганические (каменные материалы и изделия);

  • органические (древесные материалы, солома, костра, камыш, лузга, шерсть, коллаген).

• Искусственные:

  • Безобжиговые (твердение при нормальных условиях) и автоклавные (твердение при температуре 175—200 °C и давлении водяного пара 0,9-1,6 МПа):

    • неорганические (клинкерные и клинкеросодержащие цементы, гипсовые, магнезиальные и др.);

    • органические (битумные и дектевые вяжущие вещества, эмульсии, пасты);

    • полимерные (термопластичные и термореактивные);

    • комплексные:

      • смешанные (смешения нескольких видов минеральных веществ);

      • компаундированные (смеси и сплавы органических материалов);

      • комбинированные (объединение минерального с органическим или полимерным).

  • Обжиговые — твердение из огненных расплавов:

    • шлаковые (по химической основности шлака);

    • керамические (по характеру и разновидности глины и др. компонентов);

    • стекломассовых (по показателю щелочности шихты);

    • каменное литье (по виду горной породы);

3Физические свойства

Строительные материалы, применяемые при возведении зданий и сооружений,

характеризуются разнообразными свойствами, которые определяют качество

материалов и области их применения.

физическим свойствам относят массу

, истинную и среднюю плотность , пористость водопоглащение , водоотдачу ,

влажность , гигроскопичность , водопроницаемость , морозостойкость ,

воздухо-, паро -, газопроницаемость , теплопроводность и теплоемкость ,

огнестойкость и огнеупорность

Механические свойства

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться

разрушающему или деформирующему воздействию внешних сил. К механическим

свойствам относят прочность, упругость, пластичность, хрупкость,

сопротивление удару, твердость, истираемость, износ.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность материала к химическим

превращениям под воздействием веществ, с которыми он находится в

соприкосновении. Химические свойства материала весьма разнообразны,

основные из них—химическая и коррозионная стойкость.

4Макроструктура материала — строение, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении.Микроструктура материала — строение, видимое под микроскопом. Внутреннее строение вешаете изучают методами рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии и т. д. В зависимости от формы и размера частиц и их строения макроструктура твердых строительных материалов может быть зернистой (рыхлозернистой или конгломератной), ячеистой (мелкопористой), волокнистой и слоистой.

Рыхлозернистые материалы состоят из отдельных, не связанных одно с другим зерен (песок, гравий, порошкообразные материалы   для   мастичной' теплоизоляции и засыпок и др.).

Конгломератное строение, когда зерна прочно соединены между собой, характерно для различных видов бетона, некоторых видов природных и керамических материалов и др.

Ячеистая (мелкопористая) структура характеризуется наличием макро- и микропор, свойственных газо- и пенобетонам, ячеистым пластмассам, некоторым керамическим материалам.

5Строительные материалы характеризуются химическим, минеральным и фазовым составами.

Химический состав строительных материалов определяет деление их на органические (древесные, битум, пластмассы и т.п.), минеральные (бетон, цемент, кирпич, природный камень и т.п.) и металлы (сталь, чугун, алюминий). Химический состав позволяет судить о других технических характеристиках (биостойкость, прочность и т.п.). Химический состав некоторых материалов (неорганические вяжущие, каменные материалы) часто выражают количеством содержащихся в них оксидов. Оксиды, химически связанные между собой, образуют минералы, которые определяют минеральный состав материала.

Минеральный состав показывает, какие минералы и в каком количестве содержатся в материале. Этот состав непосредственно определяет свойства материала. Например, большее содержание в портландцементе такого минерала, как алит, ускоряет твердение, повышает прочность цементного камня.

Фазовый состав (по агрегатному состоянию) пористого материала характеризует количество твердого вещества (твердой фазы), образующего стенки пор («каркас» материала), и пор, заполненных воздухом (газовой фазой) и (или) водой (жидкой фазой). Соотношение между указанными фазами определяет баланс внутренних сил взаимодействия структурных элементов и во многом свойства материала.

6Истинная плотность р (кг/м3) — масса единицы объема материала, когда в расчет берется только объем твердого вещества этого материала Va (м ): p = m/Va.

--Насыпная плотность – масса единицы объема сыпучего материала в рыхло-насыпном состоянии, с учетом пустот между его частицами. P₀^H=m/V₂

Средняя плотность - величина, определяемая отношением массы однородного материала т (кг) к занимаемому им объему в естественном состоянии Fe (м3)

Пористость - степень заполнения объема материала порами. Пористость - величина относительная, выражается в процентах или долях объема материала.

Пористость строительных материалов колеблется в пределах от 0 (сталь, стекло) до 90...98 % (пенопласт)

П=(p-p₀)/p * 100%

Пористость материала характеризуют не только с количественной стороны, но и по характеру пор: замкнутые и открытые, мелкие (размером в сотые и тысячные доли миллиметра) и крупные (от десятых долей миллиметра до 2...5 мм). По характеру пор оценивают способность материала поглощать воду. 

керамический кирпич, имеющий пористость в три раза меньшую (т. е. около 30 %), благодаря открытому характеру пор (большинство пор представляют собой сообщающиеся капилляры) активно поглощает воду.

Величина пористости в значительной мере влияет на прочность материала. Строительный материал тем слабее сопротивляется механическим нагрузкам, тепловым, усадочным и другим усилиям, чем больше пор в его объеме. Опытные данные показывают, что при увеличении пористости от 0 до 20 % прочность снижается почти линейно.

7Гигроскопичность — свойство пористо-капиллярного материала поглощать влагу из воздуха. Степень поглощения зависит от температуры и относительной влажности воздуха. С увеличением относительной влажности и снижением температуры воздуха гигроскопичность повышается. 

Капиллярное всасывание — свойство пористо-капиллярных материалов поднимать воду по капиллярам. Оно вызывается силами поверхностного натяжения, возникающими на границе раздела твердой и жидкой фаз.  Капиллярное всасывание характеризуют высотой поднятия уровня воды в капиллярах материала, количеством поглощенной воды и интенсивностью всасывания. Когда фундамент находится во влажном грунте, грунтовые воды могут подниматься по капиллярам и увлажнять низ стены здания.  Водопоглощение — свойство материала при непосредственном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в своих порах. Водопоглощение выражают степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему Wо) или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала. 

Водопроницаемость — свойство материала пропускать через себя воду под давлением.  Степень водопроницаемости в основном зависит от строения и пористости материала. Чем больше в материале открытых пор и пустот, тем больше его водопроницаемость.

Морозостойкость — свойство материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного снижения прочности и массы.  Паропроницаемость возникает при различном содержании и упругости пара по обе стороны поверхности, что зависит от темпертуры водяных паров и характеризуется коэффициентом паропроницаемости, который равен количеству водяного пара (в г), проникающего в течение 1 ч через 1 м2 материала толщиной 1 м при разности давлений пара на поверхностях 133,3 Па.

8Теплопроводность — свойство материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Это свойство имеет важное значение для строительных материалов, применяемых при устройстве ограждающих конструкций (стен, перекрытий, покрытий), и материалов, предназначенных для теплоизоляции. 

Теплоемкость — свойство материала поглощать при нагревании и отдавать при охлаждении определенное количество теплоты. 

Огнестойкость — свойство материала выдерживать без разрушения воздействие высоких температур, пламени и воды в условиях пожара.  Материал в этих условиях либо сгорает, либо растрескивается, сильно деформируется, либо разрушается от потери прочности.

Огнеупорность — свойство материала выдерживать длительное воздействие высокой температуры (от 1580 °С и выше), не деформируясь и размягчаясь. 

9Упругость — свойство твердого тела самопроизвольно восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней силы. Упругая деформация, полностью исчезающая после снятия внешней нагрузки, называется обратимой. Пластичность характеризует способность материала под действием внешних сил изменять первоначальную форму без нарушения сплошности структуры. 

Модуль упругости (E) или Модуль Юнга характеризует сопротивление материала растяжению/сжатию при упругой деформации, или свойство объекта деформироваться вдоль оси при воздействии силы вдоль этой оси; определяется как отношение напряжения к удлинению. Часто модуль Юнга называют просто модулем упругости

Коэффициент Пуассона (обозначается как  или ) — абсолютная величина отношения поперечной и продольной относительной деформации образца материала. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец.

10.Прочность

Способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок. В зданиях и сооружениях материалы испытывают сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг, кручение, истирание, а также совокупность этих нагрузок.      Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности. Пределом прочности (МПа) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разру­шение образца. Предел прочности различных строительных материалов колеблется от 0,5 до 1000 МПа и более. Предел прочности определяют опытным путем, используя при этом гидравлические прессы или разрывные машины и стандартные образцы материа­ла. Для некоторых материалов (бетон, кирпич и т. п.) предел прочности на растяжение определяют путем раскалывания цилиндров или призм. На разрыв испытывают образцы материалов в виде балочек, расположенных на двух опорах. У большинства материалов (кроме древесины, стали, полимерных материалов) предел прочности при растяжении и изгибе значительно ниже, чем при сжатии, поэтому их применяют главным образом в конструкциях, которые работают на сжатие. Каменные материалы также при растяжении выдерживают нагрузку в 10-15 раз меньше, чем при сжатии, поэтому их применяют в конструкциях, работающих на сжатие. Действующее напряжение в конструкциях должно быть значительно меньше величины его предела прочности - в результате создается запас прочности, который необходим для долговечности строительного сооружения. ХРУПКОСТЬ      Свойство материала, противоположное пластичности. Хрупкие материалы разрушаются под нагрузкой внезапно, без предварительной деформации.

11.Истираемость

Свойство материала сопротивляться истирающим воздействиям. Истираемость материала характеризуется величиной потери первоначальной массы, отнесенной к 1 м2 площади истирания. Одновременное воздействие истирания и удара характеризует износостойкость материала. Оба эти свойства определяют различными условными методами: истираемость - на специальных кругах истирания, а износ - с помощью вращающихся барабанов.  Износом называется потеря в весе материала под воздействием истирания и ударов.  Это свойство важно для материалов, применяемых при устройстве дорожных покрытий и полов, в частности для лакокрасочных покрытий.

13.Петрография

        наука о горных породах (См. Горные породы), их минералогических и химических составах, структурах и текстурах, условиях залегания, закономерностях распространения, происхождения и изменения в земной коре и на поверхности Земли. Существует тенденция разделения общей науки о горных породах на две части — П., преимущественно описательного характера, и петрологию (См. Петрология), в которой даётся анализ генетических соотношений. Однако часто эти термины рассматриваются как синонимы.

         Предмет и методы петрографии. П.— наука геологического цикла; она тесно связана с минералогией (См. Минералогия), геохимией (См. Геохимия), вулканологией (См. Вулканология), тектоникой (См. Тектоника), стратиграфией (См. Стратиграфия) и учением о полезных ископаемых (См. Полезные ископаемые).

         По типам изучаемых горных пород различают П. магматических, П. метаморфических и П. осадочных горных пород, или литологию (См. Литология).

Электронная микроскопия, совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов (ЭМ) - приборов, в которых для получения увеличенных изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации. Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов ЭМ. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. Известны также отражательная, эмиссионная, оже-электронная, лоренцова и иные виды электронной микроскопии, реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым ЭМ.

Рентгеновские лучи возникают в результате соударений быстролетящих электронов с поверхностью анода рентгеновской трубки. Быстрые электроны, вырываясь из вольфрамового катода, попадают на анод, тормозятся, испуская при этом рентгеновские лучи. От скорости электронов и от вещества анода зависят свойства рентгеновских лучей. Длина волны рентгеновского излучения по величине близка к межатомным расстояниям в кристаллах твердых материалов, поэтому кристаллы являются для рентгеновских лучей трехмерными дифракционными решетками.  Действительно, при пропускании сквозь кристалл твердого материала рентгеновских лучей возникает дифра-кционная картина (рентгенограмма), которая может быть зафиксирована на фотопленке или экране. 

дифференциально-термический анализ; ДТА: Метод, позволяющий регистрировать разность температур исследуемого вещества и вещества, используемого в качестве эталона, в зависимости от температуры или времени.

14.Композиционные  материалы  состоят  из  металлической  матрицы    полимерной, керамической  или  другой, упрочнённой высокопрочными  волокнами (волокнистые  материалы) или  тугоплавкими тонкодисперсными  частицами, не  растворяющимися  в основном  металле (дисперстно-упрочненные  материалы).

Композиционные  материалы  с  волокнистым  наполнителем (упрочнителем) по  механизму  армирующего  действия  делят  на дискретные с l / d ≈ 10…10³ , где  l – длина  волокна, d – диаметр  волокна и  с  непрерывным  волокном, в  которых  l / d → ∞. Дискретные волокна  располагаются  в  матрице  хаотично. Диаметр  волокон 0.1…100  мкм.

Часто  композит  представляет  собой  слоистую  структуру, в  которой  каждый  слой  армирован  большим  числом  параллельных  непрерывных  волокон. Нередко  волокна  сплетаются  в  трёхмерные  структуры.

В  отличие  от  волокнистых  композитов, в  дисперсно-упрочненных  материалах, матрица  является  основным  элементом, несущим  нагрузку, а  дисперсные  частицы  тормозят  в  ней  движение  дислокации, то  есть  являющиеся  ее  упрочняющей  фазой. Высокая  прочность  достигается  при  размере  частиц  10…500 нм  при  среднем  расстоянии  между  частицами  100…500 нм  и равномерном  их  распределении  в  матрице. Оптимальное  содержание  2  фазы  для  различных  материалов  неодинаково, но  обычно  не превышает  5…10 % (об.).