- •Курс лекций по материаловедению
- •Предисловие
- •Рекомендуемая литература
- •Лахтин ю.М., Леонтьева в.П. Материаловедение. – м.: ид Альянс, 2009. – 528 с.
- •Сапунов с.В. Материаловедение: Текст лекций. – сПб.: сПбГиэу, 2006. – 66 с.
- •Сапунов с.В. Основы материаловедения: Учеб. Пособие. – сПб.: сПбГиэу, 2010. – 155 с.
- •1(1). Предмет материаловедения. Историческая справка
- •2(2). Мировое производство основных материалов
- •3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
- •4(4). Сталь как важнейший конструкционный материал
- •5. Способы получения и технологической обработки металлов и сплавов
- •6. Виды контроля, параметры и методы оценки качества материалов
- •7(12). Механические испытания материалов
- •8(13). Испытание на растяжение
- •1. Характеристики прочности
- •2. Характеристики пластичности
- •9. Испытания на изгиб и сжатие
- •10(14). Определение твердости
- •1. Определение твердости по Бринеллю
- •2. Определение твердости по Роквеллу
- •3. Определение твердости по Виккерсу
- •11(15). Определение ударной вязкости при изгибе
- •12. Испытание на вязкость разрушения
- •13. Испытание на усталость. Живучесть
- •14. Стандарты на материалы. Принципы маркировки и сортамент металлических материалов
- •15. Строение металлического слитка. Влияние на механические свойства величины зерна, способы регулирования
- •16(5). Строение металлов. Применение поликристаллических, монокристаллических и аморфных материалов в промышленности
- •17(6). Основные типы кристаллических решеток. Анизотропия кристаллов
- •18(7). Точечные, линейные и поверхностные дефекты в кристаллах, влияние на прочность
- •19(8). Деформация и разрушение металла. Упругая и пластическая деформация. Механизм пластической деформации. Наклёп
- •20(10). Возврат и рекристаллизация
- •21. Холодная и горячая деформация. Сверхпластичность. Структура и свойства сплавов после горячей обработки давлением
- •22(17). Полиморфные превращения
- •23(18). Строение сплавов. Твердые растворы, химические соединения, механические смеси
- •24. Диаграммы фазового равновесия
- •25. Правило фаз и правило отрезков
- •26. Ликвация в сплавах
- •27. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния
- •28(19). Фазы и структуры на диаграмме состояния железо-цементит
- •Механические свойства основных структурных составляющих сталей и чугунов
- •29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
- •30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
- •31(22). Структурные классы легированных сталей
- •32(23). Цели легирования
- •33. Превращения аустенита при охлаждении. Термокинетическая диаграмма
- •34(24). Основные виды термической обработки. Предварительная и окончательная термообработка
- •35(25). Виды отжига и их назначение
- •36(26). Закалка и отпуск сталей. Поверхностная закалка
- •37(27). Искусственное и естественное старение сплавов
- •38. Виды брака при термообработке
- •39(28). Термомеханическая обработка и ее разновидности
- •Сравнительные данные по механическим свойствам
- •40(29). Химико-термическая обработка, ее разновидности и применение
- •41(9). Объемное и поверхностное деформационное упрочнение
- •42(30). Классификация сталей
- •43(31). Конструкционные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •1. Углеродистые стали
- •2. Легированные стали
- •44(32). Инструментальные стали и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •45(31.3). Стали и сплавы с особыми физическими свойствами
- •46(33). Белый, серый, высокопрочный, ковкий и легированный чугун, маркировка, структура, свойства и область применения
- •47(34). Магний и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •48. Бериллий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •49(35). Алюминий и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •50(36). Титан и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •51(37). Медь и сплавы на ее основе, маркировка, свойства и область применения
- •52. Никель и сплавы на его основе, маркировка, свойства и область применения
- •53(38). Тугоплавкие металлы и сплавы, маркировка, свойства и область применения
- •54(39). Антифрикционные материалы, маркировка, структура, свойства и область применения
- •55. (40). Неметаллические материалы. Классификация полимеров
- •56. (40). Пластические массы, состав, свойства и область применения
- •57. Эластомеры. Состав, классификация и свойства резин
- •58. Клеящие материалы и герметики, состав, классификация и свойства
- •5 9. Неорганические материалы. Графит, керамика, неорганическое стекло, ситаллы, свойства и область применения
- •60. Порошковые материалы, структура, свойства и область применения
- •61. Композиционные материалы с металлической и неметаллической матрицей, структура, свойства и область применения
- •62. Наноматериалы
- •63. Древесные материалы, классификация, свойства и область применения
- •64. Вспомогательные материалы. Смазочные и смазочно-охлаждающие материалы, асбест, бумага кожа, текстиль
- •65. Защитные и декоративные покрытия. Лакокрасочные, электролитические и горячие покрытия. Плакирование
- •Приложение а
- •Приложение б Кратные и дольные приставки к физическим единицам
- •Приложение в Ориентировочный перевод значений твердости, определяемых по методу Бринелля, Роквелла и Виккерса
2(2). Мировое производство основных материалов
Источником почти всех материалов, используемых человеком, является верхний слой земной коры толщиной до 10 км. Самым распространенным элементом земной коры является кислород (47 %). Второе место занимает кремний (29 %), затем следуют алюминий (8 %), железо (4,6 %), кальций, натрий, калий, магний и водород. Эти девять элементов составляют более 98 % массы земной коры, так что на долю всех остальных приходится менее 2 %. В эти 2 % входят и такие широко применяемые в народном хозяйстве элементы, как медь, цинк, свинец, никель, сера, фосфор и др.
В 2008 г. примерный объем (в млн т) производства различных материалов в мире составил:
Цемент (2900), лидеры – Китай (1450), Индия (175), США (89);
Чугун и сталь (1330), лидеры – Китай (502), Япония (119), США (92);
Полимеры и пластмассы (245), лидеры – NAFTA1 (58), Китай (36), Германия (20);
Алюминий и его сплавы (39,7), лидеры – Китай (13,5), Россия (4,2), Канада (3,1).
В годы устойчивого развития структура потребления различных материалов и сырья в Российской Федерации в стоимостном выражении была примерно следующая:
металлические материалы – 27 %,
материалы химического производства – 20 %,
материалы лесной и деревообрабатывающей промышленности – 17 %,
строительные материалы (цемент, асбест и др.) – 13 %,
нефтепродукты – 11 %,
уголь – 9%,
газ, торф, сланцы – 3 %.
Наиболее распространенными конструкционными материалами во всем развитом мире являются сталь и чугун, представляющие собой сплавы на основе железа и углерода. Самые дешевые марки этих материалов в России в 2008 г. (до экономического кризиса) продавались по цене около 1000 $/т, а нержавеющие – на порядок дороже. Цены на металлы и сплавы непрерывно меняются в зависимости от конъюнктуры. Если за единицу принять рядовую сталь, то алюминий дороже, примерно, в 6 раз; медь – в 7,5 раз; никель – в 17 раз; вольфрам – в 75 раз; титан – в 50 раз; серебро – в 290 раз; золото – в 11000 раз; платина – в 27000 раз. Самым дорогим металлом является родий – он дороже стали в 45000 раз, а самым редким – рений (он дороже только в 12000 раз, т. к. залегает более компактно, чем рений).
3(3). Черные и цветные металлы, свойства и применение
Из более чем 100 элементов, представленных в периодической системе Д.И. Менделеева*, около 80 % составляют металлы. Добываемые и используемые в промышленности металлы принято делить на черные и цветные.
К черным металлам относят сплавы на основе железа: чугун, сталь и ферросплавы: ферромарганец, ферроникель, феррохром и т. п. Ферросплавы используются при выплавке легированных чугунов и сталей. Производство черных металлов примерно в 15 раз превосходит производство всех остальных металлов вместе взятых, т. к. стали и чугуны являются самыми распространенными конструкционными материалами – из них изготавливают различные морские и речные суда, мосты, строительные конструкции, трубопроводы, буровые платформы, станки, машины, механизмы и т. д.
К цветным металлам относятся все остальные металлы и их принято классифицировать по ряду общих признаков.
1. По плотности различают:
легкие металлы имеют плотность меньше чем у железа (7,88 г/см3), обычно, до 5 г/см3. Наибольшее применение нашли легкие сплавы на основе Mg, Be, Al, Ti, которые эффективны при изготовлении транспортных средств и особенно летательных аппаратов, т. к. позволяют снизить массу машин и затраты на топливо.
щелочные и щелочноземельные металлы относятся к сверхлегким. Например, Na, К, Li, Ca применяют в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий используют в качестве катализатора при производстве искусственного каучука, а литий – при изготовлении аккумуляторов и для создания сверхлегких алюминиевых сплавов авиаракетной техники.
тяжелые металлы Ni, Co, Cu, Mo, W и др. имеют плотность больше, чем у железа. Тяжелые цветные металлы широко используются для легирования сталей и чугунов, изготовления сплавов с особыми физическими свойствами; медь незаменима в электротехнике и радиоэлектронике. В группу тяжелых металлов также входят:
радиоактивные металлы (или актиноиды) Th, U, Pu и др. используются в атомной технике, в т. ч. в качестве ядерного топлива;
благородные (или драгоценные) металлы Ag, Аu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt имеют плотность от 10,5 до 22,5 г/см3, отличаются высокой устойчивостью против коррозии и др. уникальными свойствами; используются в радиоэлектронике, измерительной технике, химической, автомобильной и ювелирной промышленности.
2. По температуре плавления различают:
легкоплавкие металлы Ga, Sn, Bi, Tl, Pb, Zn имеют температуру плавления от 29,7 до 419,5 °С и поэтому используются для изготовления мягких припоев, покрытий и т. п.;
тугоплавкие металлы Cr, Nb, Mo, Ta и W (с температурой плавления существенно выше, чем у железа – 1536 °С) незаменимы при создании материалов со специальными свойствами, в том числе, жаропрочных.
3. По объему производства и использования выделяют редкие металлы, к которым относят:
рассеянные металлы Ga, In, Tl, применяются в полупроводниковой технике и для изготовления легкоплавких сплавов;
редкоземельные металлы (РЗМ) Sc, Y, La и все лантаноиды, применяются для модифицирования сталей и сплавов с особыми физическими свойствами;
все радиоактивные металлы;
бóльшую часть тугоплавких и некоторые легкие металлы.