Введение. Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей машиностроительного профиля

Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей машиностроительного профиля. Это связано, прежде всего, с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень своего развития, научно-технический и экономический потенциал государства.

Проектирование рациональных и конкурентоспособных изделий, организация их производства невозможны без достаточного уровня знаний в области материаловедения, которые являются важнейшим показателем образованности современного дипломированного специалиста. Кроме того, материаловедение служит базой для изучения многих специальных дисциплин.

Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также их изменения при различных внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т.д.). Основная практическая задача материаловедения – изыскание оптимального состава и способа обработки материалов для придания им заданных свойств.

Материаловедение условно разделяется на теоретическое, рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих в материалах при различных воздействиях, прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литье, обработка давлением) и конкретные классы материалов.

Несмотря на то, что в машиностроении используются весьма различные материалы, основными конструкционными материалами являются металлы. Поэтому основное содержание курса относится к изучению металлических материалов – металловедения.

Российские ученые сыграли ведущую роль в развитии металловедения. Одним из них является П. П. Аносов, который в 1831 году впервые применил микроскоп в разработке методики исследования стали. В 1868 г. Д. К. Чернов открытием критических точек в стали установил подлинно научную причину изменения ее свойств при термической обработке, за что получил международное признание. Существенный вклад в развитие науки о металлах внесли Н. С. Курнаков, А. А. Байков, А. М. Бочвар,
Н. А. Минкевич, С. С. Штейнберг, А. П. Гуляев и другие российские ученые, а из зарубежных – А. Ледебур, Р. Аустен, Ф. Осмонд, Л. Троост,
А. Мартенс и др.

Особенно интенсивно развивается металловедение 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.

Наибольшее развитие неметаллическое материаловедение получило при создании синтетических материалов, в которых возможно проектировать и комбинировать свойства исходных веществ с целью получения заданных свойств конечного продукта и готовых изделий.

Основы структурной теории химического строения органических соединений заложил великий русский химик А. М. Бутлеров (1826–1886 гг.). На основе исследований Г. С. Петрова (1907–1914 гг.) стало возможным промышленное производство первых синтетических фенопластов. Цепная полимеризация стала возможной в результате разработки Н. Н. Семеновым (1930–1940 гг.) теории цепных реакций.

Содержание учебника условно сгруппировано в четырех основных разделах. Первый раздел учебника посвящен теоретическому металловедению, а именно: строению и свойствам металлов и сплавов. Здесь приведены сведения о наиболее важных для практического применения металлах, их физических свойствах и связи этих свойств с электронным строением металлов. Дана классификация металлов, рассмотрены особенности и закономерности кристаллического строения металлов и сплавов, виды дефектов кристаллических решеток, закономерности кристаллизации металлов и сплавов при их переходе от жидкого в твердое состояние, а также превращения в твердом состоянии.

Важные физические понятия напряжений и деформаций рассмотрены не только с позиций физики твердого тела, но и на основе феноменологического подхода, с позиций механики сплошной среды. Даны определения основных механических характеристик материалов, описаны основные методы механических испытаний, рассмотрены закономерности упрочнения и разупрочнения материалов при их деформации и нагреве.

Описаны методика и правила построения диаграмм фазового равновесия (диаграмм состояния), рассмотрены основные типы диаграмм состояния сплавов, обладающих различной способностью к образованию твердых растворов, химических соединений или превращений в твердом состоянии.

Второй раздел учебника посвящен железоуглеродистым сплавам, наиболее широко распространенным в промышленности. Здесь рассмотрена диаграмма состояния «Железо – углерод (цементит)», приведена классификация углеродистых сталей и чугунов, описаны основные закономерности и виды термической обработки сталей.

В третьем разделе рассмотрено влияние легирования на свойства сталей, методы упрочнения сплавов, приведены сведения о маркировке, классификации, свойствах и областях применения различных конструкционных сталей. Особое внимание уделено коррозионностойким, жаростойким и жаропрочным сплавам, а также инструментальным сталям и другим инструментальным материалам для обработки металлов давлением и резанием.

В четвертом разделе рассмотрены наиболее применяемые цветные металлы (титан, медь, алюминий, магний) и сплавы на их основе, а также неметаллические материалы (полимеры и пластмассы, резина, клеи, стекло, ситаллы, графит, композиционные материалы).

Изучив дисциплину «Материаловедение», студент должен знать:

· основные свойства материалов, обеспечивающих качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства сплавов со специальными свойствами (коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);

· о влиянии свойств материалов на ресурсосбережение и надежность изделий, технологических процессов и средств автоматизации;

· основные типы кристаллических решеток и их дефектов, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и диаграмму «Железо – цементит»;

· классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Студент должен владеть:

· методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;

· методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;

· методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;

· методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Для самоконтроля и проверки уровня подготовки студентов при изучении дисциплины «Материаловедение» в конце каждого из разделов приведены тесты.