double arrow

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА



1

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предмет материаловедения; современная классификация материалов, основные этапы развития материаловедения

Материаловедение изучает состав, структуру, свойства и поведение материалов в зависимости от воздействия окружающей среды. Воздействие бывает тепловым, электрическим, магнитным и т. д. Любой компонент конструкций или сооружений подвергается нагрузкам как со стороны других компонентов, так и со стороны внешней среды.

Материаловедение или наука о материалах получила свое развитие с древнейших времен. Первый этап развития материаловедения начинается со специализированного изготовления керамики. Особый вклад в становление материаловедения в России был сделан М.В. Ломоносовым (1711–1765) и
Д.И. Менделеевым (1834–1907). Ломоносов разработал курс по физической химии и химической атомистики, подтвердил теорию об атомно-молекулярном строении вещества. Менделееву принадлежит заслуга разработки периодической системы элементов. Оба ученых немалое внимание уделяли проблеме производства стекла.

В XIX в. вклад в развитие материаловедения внесли Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, Е.С. Федоров, В.А. Обручев, А.И. Ферсман, Н.Н. Белелюбский. Начинают производиться новые материалы: портландцемент, новые гипсы, цементные бетоны, полимерные материалы и т. д.




В машиностроении широкое применение получили металлы и сплавы металлов, именно поэтому металловедение является важной частью материаловедения.

Металловедение как наука возникло в России в XIX в, оно является научной основой для разработки новых оптимальных технологических процессов: термической обработки, литья, прокатки штамповки сварки. Сочетание высокой прочности и твердости с хорошей пластичностью, вязкостью и обрабатываемостью, не встречающееся у других материалов, явилось причиной использования металлов в качестве основного конструкционного материала во всех областях техники.

Впервые установил существование связи между строением стали и ее свойствами выдающийся русский ученый П.П. Аносов (1799–1851 гг.), раскрывший давно утраченный секрет изготовления и получения древними мастерами Востока булатной стали, которая идет для производства клинков. Булатная сталь Аносова славилась во всем мире и даже вывозилась за границу. Клинки, которые были изготовлены из этой стали, отличались высокой твердостью и вязкостью.
П.П. Аносов считается «зачинателем» производства высококачественной стали, он впервые применил микроскоп для определения строения стали и положил начало изучению закономерной связи между структурой и свойствами сплавов.



Основоположник научного металловедения Д.К. Чернов (1839–1921 гг.), который открыл в 1868 г. фазовые превращения в стали. Открытие Д.К. Черновым критических точек а и b (по современному обозначению А1 и A3) совершило революцию в познании природы металлических сплавов и позволило объяснить ряд «таинственных» явлений, которые происходят при термической обработке сталей.

Огромный вклад в развитие науки о металлах внесли Н.С. Курнаков, А.А. Байков, Н.Т. Гудцов, А.А. Бочнар, Г.В. Курдюмов, С.С. Штейиберг, А.П. Гуляев, а также другие советские ученые.

Большое значение в развитии металловедения и термической обработки имели работы Осмонда (Франция), Зейтца, Бейна и Мейла (США), Таммана и Ганемана (Германия).

В XX веке были достигнуты крупные достижения в теории и практике материаловедения, созданы высокопрочные материалы для инструментов, разработаны композиционные материалы, открыты и использованы свойства полупроводников, совершенствовались способы упрочнения деталей термической и химико-термической обработкой.

Материаловедение – обширная область знаний, наука, которая, базируясь на основных положениях физики твёрдого тела, физической химии и электрохимии, исследует и направленно использует взаимосвязь структуры и свойств для улучшения свойств применяемых материалов или для создания новых материалов с заданными свойствами. Главное в материаловедении – это научно обоснованное предсказание поведения применяемых в технике материалов.

Материаловедение - научная дисциплина о структуре, свойствах и назначении материалов. Свойства технических материалов формируются в процессе их изготовления. При одинаковом химическом составе, но разной технологии изготовления, образуется разная структура, и вследствие - свойства.

Целью материаловедения является изучение закономерностей формирования структуры и свойств материалов методами их упрочнения для эффективного использования в технике.

Основная задача материаловедения - установить зависимость между составом, строением и свойствами, изучить термическую, химико-термическую обработку и другие способы упрочнения, сформировать знания о свойствах основных разновидностей материалов.

©ИЦМ(www.modificator.ru)

Началом развития материаловедения можно считать тот момент, когда человек впервые начал выбирать, что ему взять в руку - палку или камень, то есть зарождение материаловедения совпадает с началом каменного века. Следовательно материаловедение - это одна из старейших форм прикладной науки, прошедшая вместе с человечеством долгий путь от примитивной обработки камня и изготовления простейшей керамики и заканчивая современными сверхпопулярными нанотехнологиями. Долгое время металлургия и металловедение превалировали в материаловедении, то есть наука о материалах приравнивалась фактически к науке о металлах. Современное материаловедение также базируется на металловедении, однако помимо металлов и сплавов материаловедение изучает множество других разнообразных материалов как по назначению (пластики, полупроводники, биоматериалы), так и по составу (углеродные материалы, керамика, полимеры и т.д.).

Классификация материалов: металлические, неметаллические и композиционные материалы.

Металлические материалы подразделяются на цветные металлы, порошковые материалы.

Неметаллические материалы: резина, стекло, керамика, пластические массы, ситаллы.

Композиционные материалы являются составными материалами, в состав которых входят два и более материалов (стеклопластики).

Существует классификация материалов в зависимости от вида полуфабрикатов: листы, порошки, гранулы, волокна, профили и т. д.

Техника создания материалов положена в основу классификации по структуре.

Металлические материалы подразделяются на группы в соответствии с тем компонентом, который лежит в их основе. Материалы черной металлургии: сталь, чугуны, ферросплавы, сплавы, в которых основной компонент – железо. Материалы цветной металлургии: алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово.

Основу современной техники составляют металлы и металлические сплавы. Сегодня металлы являются самым универсальным по применению классом материалов. Для того чтобы повысить качество и надежность изделий, требуются новые материалы. Для решения этих проблем применяются композиционные, полимерные, порошковые материалы.

Металлы – вещества, которые обладают ковкостью, блеском, электропроводностью и теплопроводностью. В технике все металлические материалы называют металлами и делят на две группы.

Простые металлы – металлы, которые имеют небольшое количество примесей других металлов.

Сложные металлы – металлы, которые представляют сочетания простого металла как основы с другими элементами.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Цветные металлы имеют характерную окраску: красную, желтую, белую, об ладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Однако каждый металл отличается строением и свойствами от другого, и по некоторым признакам их можно объединить в группы. Такая классификация дана металловедом А.П. Гуляевым. Согласно его классификации, черная группа металлов в свою очередь подразделяется на:

1) железные – железо, кобальт, никель, марганец;

2) тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем железа (1539 °С);

3) урановые, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики (торий, уран, плутоний);

4) редкоземельные (РЗМ) – лантан, церий, неодим, празеодим и др.;

5) щелочно-земельные, они в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением специальных случаев, например, в качестве теплоносителей в атомных реакторах (литий, натрий, калий, барий и др.).

Цветная группа металлов подразделяется на:

1) легкие – бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

2) благородные – серебро, золото, платина, палладий и др.;

3) легкоплавкие – цинк, ртуть, олово, свинец, сурьма и др.

Применение металлов и сплавов определяется их распространенностью в природе, а в историческом аспекте – развитием науки и техники (научно-технического прогресса в обществе).

Три четверти всех элементов в периодической системе являются металлами.

Сегодня промышленность использует наряду с чистыми металлами большой спектр различных конструкционных материалов. Условно их можно классифицировать на следующие виды:

1) чугуны – белый, ковкий, серый, высокопрочный и специальные;

2) стали – углеродистые, легированные;

3) цветные металлы и сплавы на их основе – дюралюминий, силумин, бронза, латунь;

4) порошковые материалы;

5) новые материалы – композиты, сплавы с памятью формы, аморфные, космические;

6) неметаллические – пластмассы, древесина, стекло, резина, краски, лаки, эмали, клеи.

Особую группу составляют триботехнические материалы. Эти материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами таких материалов являются:

1) смазочные – смазки в твердой (графит, тальк), жидкой (моторные, трансмиссионные масла), газообразной (воздух, пары и другие газы) фазах;

2) антифрикционные – сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы, латуни), серый чугун, пластмассы (текстолиты, фторопласты),

металлокерамические маиериалы (бронзографит, железографит), резины, древесно-слоистые пластики;

3) фрикционные, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление к изнашиванию (пластмассы, некоторые виды чугунов и металлокерамики, композиты).

Всякое вещество, в том числе и металл, может находиться в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. В чем же состоит различие меду газообразным, жидким и твердым состояниями? В газообразном состоянии не существует закономерности расположения атомов, молекул, они двигаются хаотично, отталкиваются одна от другой и газ стремится занять возможно больший объем.

В твердых телах порядок расположения атомов строго определенный, закономерный, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены и твердое тело сохраняет свою форму. Такое расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Кристаллическое строение характеризуется дальним порядком в расположении атомов. Кристаллическое состояние и твердое состояние – это слова-синонимы. Однако это относится только к металлам, так как твердое вещество, например, кварцевое стекло имеет аморфное строение, где атомы расположены беспорядочно.

В жидкости части (атомы, молекулы) сохраняют лишь так называемый ближний порядок, т.е. в пространстве закономерно расположено небольшое количество атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле. Ближний порядок неустойчив: он то возникает, то исчезает под действием тепловых колебаний. Таким образом, жидкое состояние – как бы промежуточное между твердым и газообразным.

При рассмотрении изломов металлов видно, что все они имеют кристаллическое строение и состоят из множества зерен. Тонкие линии (узоры) на поверхности микрошлифа представляют собой границы между зернами, из которых состоит металл.

Однако внешняя форма зерен не имеет характерных очертаний кристаллов, так как металлы представляют собой поликристаллическое строение. Это хорошо видно на структуре чистого железа, где зерна имеют самую разнообразную форму .

Основным признаком, по которому тело считают кристаллическим, является не внешняя форма, а его внутреннее строение. Кристаллическое строение металлов характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве, образующим кристаллическую решетку. Элементарную кристаллическую (простую кубическую) ячейку можно представить в кристаллографической плоскости и в виде кубической решетки.

Атомы расположены равномерно во всех трех направлениях Для большинства металлов наиболее характерны три типа кристаллических решеток: кубическая объемноцентрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная с плотной упаковкой атомов. Кубическую объемноцентрированную решетку имеют хром, молибден, вольфрам, титан, ниобий; кубическую гранецентрированную – алюминий, медь, никель, серебро, свинец и др.; гексагональная решетка характерна для магния, цинка, гафния, осмия.

Расстояние между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называется периодом решетки или ее параметром.

Кроме периода решетки кристаллы характеризуются координационным числом, коэффициентом компактности решетки и базисом.

Координационное число показывает, сколько ближайших равноудаленных соседних атомов окружают ближайший атом в кристалле.

Оно характеризует плотность упаковки атомов в кристалле. Коэффициент компактности показывает отношение объема, занятого атомами, ко всему объему решетки. Количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку, называется базисом решетки. Базис показывает сложность решетки.

1


Сейчас читают про: