Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

А. Г. Мельников, И. А. Хворова, Е. П. Чинков

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета

Издательство

Томского политехнического университета

2012

УДК 620.22(075.8)

ББК 30.3я73

М482

Мельников А.Г.

М482 Материаловедение: учебное пособие / А.Г. Мельников, И.А. Хворова, Е.П. Чинков; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 200 с.

В учебном пособии в краткой форме изложены закономерности формирования структуры и свойств металлических и неметаллических материалов, используемых в приборостроении. Большое внимание уделено фундаментальным основам теории и технологии термической обработки металлических материалов. Учебное пособие соответствует программе дисциплины и предназначено для студентов немашиностроительных специальностей, обучающихся по направлениям: 200400 «Оптотехника», 200300 «Биомедицинская инженерия», 200500 «Метрология, стандартизация и сертификация», 221400 «Управление качеством», 550200 «Автоматизация и управление», 652000 «Мехатроника и робототехника».

УДК 620.22(075.8)

ББК 30.3я73

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор,

старший научный сотрудник Института физики

прочности и материаловедения СО РАН Б. П. Гриценко

Главный инженер ООО «Томский

инструментальный завод».

Н. В. Коробейников

© ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», 2012

© Мельников А.Г., Хворова И.А., Чинков Е.П. 2012

© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2012

Введение

Получение, разработка новых материалов и способы их обработки являются основой современного производства, уровень развития которого определяет научно-технический и экономический потенциал страны. Проектирование конкурентно-способных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения и технологии конструкционных материалов.

Материаловедение – наука о строении и свойствах металлических и неметаллических материалов, их взаимосвязи и возможности изменения для рационального использования в технике.

Разнообразие свойств материалов является главным фактором, предопределяющим их широкое применение в технике. В современной технике имеется огромное количество различных устройств, машин и механизмов, строительных конструкций, приборов, оборудования и инструментов, которые работают в жестких условиях износа, а также воздействия высоких нагрузок, агрессивных сред, высоких и низких температур. Для того чтобы обеспечить их работоспособность, надежность и долговечность, инженер должен иметь представление о возможности формирования необходимых свойств современных материалов, уметь ориентироваться во множестве вариантов и владеть основами знаний, необходимых при выборе материала для конкретных деталей и изделий. Кроме того, инженер должен знать возможности прогнозирования необходимых свойств используемых материалов и изготавливаемых из них деталей и изделий.

В таких технических отраслях как электротехника и радиоэлектроника качество материалов становится ключом к разработке сложных инженерных решений и созданию новейшей электронной аппаратуры. Применяемые металлические и неметаллические материалы должны обладать особыми физическими свойствами: электрическими, магнитными, тепловыми и т. д. Знание свойств материалов и закономерностей зависимости этих свойств от физической природы, структуры, состава, технологических и эксплуатационных факторов позволяет специалисту не только грамотно выбирать материал при проектировании электротехнических устройств, но и грамотно эксплуатировать их.

1. Строение и свойства материалов

1.1. Классификация материалов

Материал – вещество (совокупность веществ), из которого изготовлено техническое изделие, имеющее функциональное значение.

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливаются детали машин и конструкций, работающих под нагрузкой.

Материалы классифицируют: по природе – на металлические, неметаллические и композиционные; по технологическому признаку – на деформируемые, литые, свариваемые и др.; по условиям работы – на работающие при низких и высоких температурах, износостойкие и др.; по прочности – на материалы низкой, средней и высокой прочности.

Металлические материалы классифицируют: по основному компоненту сплава – на алюминиевые, медные, никелевые, на железной основе и др.; по типу упрочнения – на закаливаемые, азотируемые и др.; по структурному составу – на одно-, двух- и многофазные. Черные металлы – железо и сплавы (стали, чугуны) с содержанием железа не менее 50 %. Цветные – металлы и их сплавы, имеющие естественную окраску (медь, алюминий, титан и др.). Благородные – золото, серебро, платина и др. Редкоземельные – лантан, неодим, празеодим и др.

Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу и технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и др.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и характеру их размещения и ориентации. Пластмассы – материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, чаще всего с добавками. Керамические материалы (керамики) – порошки тугоплавких соединений: карбиды, окислы, нитриды, бориды. Керамико-металлические (керметы) – керамика с добавлением металлической связки. Стекла – окислы различных элементов.

Композиционные материалы состоят из металлической или неметаллической матрицы (основы) с заданным распределением упрочнителей и подразделяются на: дисперсноупрочненные – полученные введением в матрицу дисперсных (мелких) частиц; волокнистые – упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами; слоистые – созданные путем прессования, прокатки разнородных материалов.

Химические связи делятся на ковалентные, ионные, металлические и молекулярные. Ионная связь возникает при полном или частичном обмене валентными электронами, ковалентная – при частичном. Металлическая связь по природе ковалентная, но обобществляется множество электронов. Силы Ван-дер-Ваальса возникают без обмена зарядами.

М ежатомное взаимодействие. Движущими силами объединения частиц вещества (твердого, жидкого, газообразного) являются силы взаимного притяжения и отталкивания. Зная характер взаимодействия между атомами, можно прогнозировать свойства материалов. Потенциальная энергия взаимодействия двух атомов зависит от расстояния r между ними и может быть представлена в виде суммы потенциалов притяжения и отталкивания (рис. 1.1). Энергия притяжения в системе ион-электрон является причиной металлической связи и проявляется при всех значениях r. Энергия отталкивания связана с деформацией электронных оболочек ионов и проявляется только на малых расстояниях. Величина r₀ – равновесное расстояние между атомами. Энергию связи E_с можно оценить как работу, которую необходимо затратить, чтобы оторвать атом и удалить в бесконечность.

Ковалентная (гомеополярная) связь возникает между нейтральными атомами за счет перекрытия электронных облаков. Обычно осуществляется двумя электронами с противоположно направленными спинами. В пространстве между атомами электроны создают состояния с повышенной электронной плотностью. Отрицательный заряд стремится сблизить ядра атомов. Если электронная плотность распределена симметрично между атомами, то ковалентную связь называют неполярной, смещена в сторону одного из них – полярной. Насыщенность связи – ограниченное число внешних электронов между ядрами образует ограниченное число химических связей. Направленность в пространстве проявляется в одинаковом геометрическом строении близких по составу химических частиц. Особенность связи – поляризуемость. Ковалентные кристаллы – в основном полупроводники и диэлектрики.

Ионная (гетерополярная) связь образуется за счет электростатического взаимодействия противоположно заряженных ионов, которое не зависит от направления. О связи говорят как о ненаправленной и ненасыщенной. В ионных кристаллах не существует отдельных молекул, «молекулой» считается весь кристалл. Энергия связи – несколько электронвольт. Ионные кристаллы, в основном диэлектрики, имеют высокие температуры плавления, прозрачны в широком диапазоне частот. Идеальной ионной связи нет. Полного перехода электронов от одного атома к другому не происходит, они частично остаются в общем пользовании. Например, в кристалле LiF химическая связь на 80 % ионная, на 20 % – ковалентная. Правильно надо говорить о степени ионности (полярности) ковалентной химической связи.

Металлическая связь. В кристаллической решетке металла внешние электроны покидают атомы, превращая их в катионы. Электростатическое взаимодействие обусловлено отталкиванием ионов (электронов) друг от друга и притяжением ионов и электронов. Электроны стремятся приблизить катионы, уравновешивая силы отталкивания. Благодаря свободным электронам металлы хорошо проводят электрический ток и тепло. При нагревании колебания катионов увеличиваются, электронам труднее продвигаться между ними и электрическое сопротивление металла увеличивается. Металлическая связь существует в твердом, расплавленном и аморфном состоянии металлов.

Атомы ионизированы не полностью, часть валентных электронов остается связанной. Появление ионной и ковалентной составляющих связи между соседними атомами обнаружено во многих металлах.

Молекулярная связь. Взаимодействие молекул не приводит к разрыву или образованию новых связей. Отдельные молекулы связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. В полярных молекулах центры тяжести положительного и отрицательного зарядов не совпадают и они ориентируются так, чтобы рядом находились концы молекул с противоположными зарядами. Возникает ориентационное взаимодействие – притяжение. Индукционное взаимодействие возникает между полярными и неполярными молекулами. Неполярная молекула поляризуется и становится полярной, молекулы притягиваются слабее, чем в случае полярных молекул. Дисперсионное взаимодействие возникает между неполярными молекулами. При движении электроны создают состояния с повышенной электронной плотностью с одной стороны молекулы. Неполярная молекула становится полярной. Это вызывает перераспределение зарядов в соседних молекулах, между ними устанавливаются кратковременные связи. Если бы молекулы только притягивались, то это привело бы к слиянию. На малых расстояниях электронные оболочки отталкиваются – межмолекулярное отталкивание. Эти же силы удерживают молекулы друг около друга и в жидкостях, поэтому молекулярные кристаллы относительно легко плавятся или даже возгоняются (возгонка – переход вещества из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое). Если температура ниже точки плавления или возгонки, то молекулы собираются в упорядоченные каркасы, каждая из которых ориентирована в пространстве определенным образом. Молекулярные кристаллы – это молекулы с насыщенными связями (O₂, N₂, CO₂, H₂O), атомы инертных газов (Ar, Ne, Kr, Xe). В электрическом отношении молекулярные кристаллы – диэлектрики.

В реальных кристаллах химические связи в чистом виде встречаются редко: имеет место их наложение. Одна из них преобладает, определяя структуру и свойства твердого тела.

Рождение материала происходит в направлении усложнения структуры (рис. 1.2), отражает определенные уровни его строения