Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮТЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
В СУРГУТЕ
О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В. Дячук
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие
Издательство
Тюменского государственного университета
2013
Андреев О.В., Вакулин А.А., Дячук К.В. Материаловедение: учебное пособие. Тюмень: Издательство ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013. 461 с.
В учебном пособии представлены данные по составу, структуре, свойствам, областям применения основных видов материалов: сталям, чугунам, цветным и редким металлам и сплавам, сплавам с особыми физическими свойствами, полимерам, керамике, стеклу, композиционным материалам, древесным материалам, строительным материалам и наноматериалам. Учебно-методическая информация, содержащаяся в пособии, позволяет студентам самостоятельно изучать курс материаловедения.
Учебное пособие предназначено для студентов, магистров, аспирантов. Может быть использовано как краткий справочник.
Учебное пособие рекомендовано к печати учебно-методической комиссией ИМЕНИТ ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», а также учебно-методической комиссией филиала ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» в г. Сургуте.
|
|
|
Рецензенты:
В.М. Матюнин, доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва.
И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ.
А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ.
© ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», 2013
© О.В. Андреев, А.А. Вакулин, К.В.Дячук, 2013
Содержание:
Предисловие......................................................................................... 10
Теоретические материалы................................................................... 12
Глава 1. Материаловедение. Структура материалов...................... 12
1.1. Материаловедение, основные понятия........................................ 12
1.2. Количество материалов................................................................ 13
1.3. Классификация материалов по назначению................................ 14
1.4. Агрегатные состояния вещества................................................... 16
1.5. Кристаллическая структура веществ........................................... 17
1.6. Дефекты в кристаллической структуре веществ.......................... 23
1.7. Уровни структуры материалов.................................................... 27
1.8. Физико-химический анализ. Диаграммы состояния................... 28
|
|
|
1.9. Сплавы, твёрдые растворы.......................................................... 35
1.10. Химические соединения.............................................................. 38
1.11. Зёренная структура поликристаллических материалов........... 40
1.12. Основные механические свойства материалов.......................... 43
Резюме.................................................................................................. 50
Вопросы для самопроверки................................................................ 51
Глава 2. Стали................................................................................... 54
2.1. Полиморфизм и свойства железа................................................. 54
2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3C.................................... 56
2.3. Сравнение основных свойств сталей и чугунов.......................... 59
2.4. Превращения сталей в твёрдом состоянии.................................. 61
2.5. Стали. Классификация сталей...................................................... 65
2.6. Термическая обработка и фазовые превращения в сталях........ 67
2.7. Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении. 68
2.8. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение.................................................................................................. 71
2.9. Основные виды термической обработки стали........................... 77
2.9.1. Отжиг................................................................................. 77
2.9.2. Нормализация................................................................... 79
|
|
|
2.9.3. Закалка.............................................................................. 80
2.9.4. Отпуск стали...................................................................... 82
2.10. Углеродистые стали.................................................................... 85
2.11. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали............ 88
2.12. Легирующие элементы. Легированные стали, их маркировка. 90
2.13. Жаропрочные и жаростойкие стали........................................ 100
2.14. Коррозионно стойкие стали..................................................... 105
Резюме................................................................................................ 107
Вопросы для самопроверки.............................................................. 108
Глава 3. Чугуны.............................................................................. 110
3.1. Чугуны, химические и фазовые составы.................................... 110
3.2. Преимущества чугунов.............................................................. 113
3.3. Виды чугунов доменного производства.................................... 114
3.4. Классификация и маркировка чугунов...................................... 114
3.5. Модифицирование чугунов........................................................ 116
3.6. Белый чугун................................................................................ 120
3.7. Серый чугун................................................................................ 121
3.8. Высокопрочный чугун............................................................... 123
3.9. Ковкий чугун.............................................................................. 125
|
|
|
3.10. Легированные чугуны.............................................................. 126
3.11. Другие виды чугунов............................................................... 131
Резюме................................................................................................ 134
Вопросы для самопроверки.............................................................. 134
Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы............................... 136
4.1. Классификация цветных и редких металлов............................. 136
4.2. Лёгкие металлы........................................................................... 138
4.3. Магний и его сплавы.................................................................. 138
4.4. Применение магния и магниевых сплавов................................. 141
4.5. Алюминий и его сплавы............................................................. 142
4.6. Маркировка алюминиевых сплавов.......................................... 144
4.7. Классификация алюминиевых сплавов...................................... 146
4.8. Области применения алюминиевых сплавов............................. 161
4.9. Титан........................................................................................... 155
4.10. Области применения титана..................................................... 161
4.11. Медь и медные сплавы............................................................. 163
4.12. Латуни....................................................................................... 165
4.13. Бронзы....................................................................................... 168
4.14. Марки и области применения бронз........................................ 170
4.15. Сплавы меди мельхиор, нейзильбер, куниаль........................ 171
4.16. Свинец и цинк........................................................................... 174
4.17. Никель и кобальт...................................................................... 175
4.18. Олово......................................................................................... 177
4.19. Ртуть.......................................................................................... 177
Резюме................................................................................................ 178
Вопросы для самопроверки.............................................................. 179
Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами.................. 180
5.1. Металлические проводниковые материалы.............................. 180
5.2. Электромеханические свойства меди и алюминия.................... 182
5.3. Перспективы развития проводниковых материалов................ 184
5.4. Полупроводниковые материалы................................................ 186
5.5. Магнитные материалы................................................................ 189
5.6. Тугоплавкие металлы и сплавы................................................. 190
5.7. Сверхпроводящие материалы.................................................... 193
5.8. Сплавы с эффектом памяти формы............................................ 197
Резюме................................................................................................ 198
Вопросы для самопроверки.............................................................. 198
Глава 6. Полимеры......................................................................... 200
6.1. Общие сведения.......................................................................... 200
6.2. Классификация полимеров......................................................... 201
6.2.1. Классификация по происхождению............................... 202
6.2.2. Классификация по структурным признакам................. 202
6.3. Общие свойства полимеров........................................................ 203
6.3.1. Физические свойства....................................................... 204
6.3.2. Механические свойства................................................... 204
6.3.3. Теплофизические свойства.............................................. 205
6.3.4. Химические свойства...................................................... 205
6.3.5. Электрические свойства.................................................. 206
6.3.6. Технологические свойства.............................................. 207
6.3.7. Старение полимеров....................................................... 208
6.3.8. Радиационная стойкость полимеров. Абляция.............. 208
6.4. Пластические массы.................................................................... 209
6.5. Виды пластических масс............................................................. 210
6.5.1. Полиэтилен...................................................................... 210
6.5.2. Полипропилен................................................................. 212
6.5.3. Поливинилхлорид........................................................... 212
6.5.4. Полистирол..................................................................... 213
6.5.5. Фторопласты................................................................... 214
6.5.6. Полиимид........................................................................ 216
6.5.7. Полиакрилаты................................................................. 217
6.5.8. Фенолформальдегидные смолы (ФФС)......................... 217
6.5.9. Эпоксидные смолы.......................................................... 219
6.5.10. Поликарбонатые полимеры......................................... 220
6.6. Каучук, природный каучук........................................................ 223
6.7. Синтетические каучуки............................................................... 225
6.8. Резины......................................................................................... 226
6.9. Синтетические эмали, лаки, компаунды.................................... 230
6.10. Полимерные клеи...................................................................... 231
6.11. Полимеры в медицине.............................................................. 233
6.12. Биологически разлагаемые пластики на основе природных полимеров....................................................................................................................... 234
6.13. Неорганический полимер - асбест............................................ 237
Резюме................................................................................................ 239
Вопросы для самоконтроля.............................................................. 240
Глава 7. Керамика.......................................................................... 242
7.1. Понятие керамики....................................................................... 242
7.2. Керамика как альтернативный материал.................................. 243
7.3. Состав керамики......................................................................... 244
7.3.1. Глинистые породы.......................................................... 244
7.3.2. Свойства глин.................................................................. 246
7.3.3. Керамика на основе технических оксидов..................... 248
7.3.4. Керамика на основе бескислородного технического сырья. 249
7.4. Структура керамики................................................................... 250
7.5. Свойства керамики..................................................................... 250
7.6. Керамика на основе глинистого сырья...................................... 252
7.6.1. Фарфор............................................................................ 252
7.6.2. Фаянс............................................................................... 254
7.6.3. Гжель............................................................................... 254
7.6.4.Огнеупорная керамика на основе глин........................... 255
7.7. Виды технической керамики...................................................... 256
7.7.1. Масштабы производства высокотехнологичной керамики. 256
7.7.2. Керамические, пьезокерамические материалы.............. 256
7.7.3. Керамические материалы с химическими функциями.. 257
7.7.4. Керамические материалы для ядерной энергетики....... 257
7.7.5. Конструкционная керамика............................................ 258
7.8. Характеристики некоторых керамик......................................... 259
7.8.1. Высокоглиноземистая керамика.................................... 259
7.8.2. Керамика из нитрида и карбида кремния...................... 260
7.8.3. Другие виды технической керамики.............................. 261
Резюме................................................................................................ 262
Вопросы для самопроверки.............................................................. 262
Глава 8. Стекло............................................................................... 264
8.1. История стекла............................................................................ 264
8.2. Отличительные особенности стекла как материала.................. 266
8.3. Структура веществ в стеклообразном состоянии..................... 267
8.3.1. Кристаллическое и стеклообразное состояния.............. 267
8.3.2. Кристаллохимическое описание строения стекол......... 268
8.3.3. Кварцевое стекло............................................................ 269
8.3.4. Бинарные щелочно-силикатные стекла.......................... 270
8.3.5. Фосфатные стекла........................................................... 271
8.3.6. Микронеоднородное строение стекол........................... 271
8.4. Классификация стекол по составу.............................................. 272
8.5. Свойства стекол.......................................................................... 273
8.6. Виды стёкол................................................................................ 281
Резюме................................................................................................ 293
Вопросы для самопроверки.............................................................. 293
Глава 9. Композиционные материалы........................................... 295
9.1. Строение и признаки композиционных материалов................. 295
9.2. Классификация............................................................................ 297
9.3. Физико-химические основы создания композиционных материалов. 299
9.4. Области применения композиционных материалов................. 300
9.5. Виды композиционных материалов.......................................... 301
9.5.1. Композиционные материалы с металлической матрицей. 301
9.5.2. Волокнистые композиционные материалы.................... 301
9.5.3. Дисперсионно-упрочненные композиционные материалы. 302
9.5.4. Композиционные материалы с неметаллической матрицей. 301
9.5.5. Углепласты...................................................................... 305
9.5.6. Бороволокниты............................................................... 309
9.5.7. Органоволокниты........................................................... 310
9.6. Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами.......................................................................... 311
9.7. Основные методы получения композиционных материалов.... 313
Резюме................................................................................................ 313
Вопросы для самопроверки.............................................................. 314
Глава 10. Древесные материалы.................................................... 315
10.1. Древесина как материал........................................................... 315
10.2. Лиственные и хвойные породы................................................ 316
10.3. Части дерева.............................................................................. 316
10.4. Макроскопическое строение дерева........................................ 318
10.5. Химический состав древесины и её микроскопическое строение. 320
10.6. Физические свойства................................................................. 322
10.7. Механические свойства............................................................. 325
10.8. Пороки древесины.................................................................... 328
10.9. Виды хвойных пород............................................................... 333
10.10. Виды лиственных пород......................................................... 335
10.11. Пиломатериалы и продукты переработки древесины.......... 339
10.12. Виды изделий из дерева......................................................... 341
10.13. Модифицированная древесина.............................................. 343
10.14. Термически обработанная древесина (термодревесина)...... 344
10.15. Области применения древесины............................................ 346
10.16. Скрипка................................................................................... 348
Резюме................................................................................................ 351
Вопросы для самоконтроля.............................................................. 351
Глава 11. Строительные материалы.............................................. 354
11.1. Виды строительных материалов.............................................. 354
11.2. Цемент, портландцемент.......................................................... 356
11.3. Цементные растворы................................................................ 358
11.4. Бетон. Классификация бетонов................................................ 359
11.5. Компоненты бетона.................................................................. 361
11.6. Марка, класс и прочность бетона............................................ 363
11.7. Лёгкие бетоны........................................................................... 364
11.8. Тяжелые бетоны........................................................................ 367
11.9. Кирпич строительный.............................................................. 368
11.9.1. Размеры кирпича.......................................................... 369
11.9.2. Пустотность кирпича.................................................... 369
11.9.3. Марка кирпича.............................................................. 370
11.9.4. Морозостойкость кирпича........................................... 371
11.9.5. Строительные кирпичи................................................. 371
11.10. Добавки наноразмерных частиц в бетоны............................ 374
Резюме................................................................................................ 376
Вопросы для самопроверки.............................................................. 376
Глава 12. Наноматериалы............................................................. 378
12.1. Терминология наноразмерных объектов 379
12.2. Физические причины специфики наноматериалов 380
12.3. Классификация наноматериалов 383
12.4. Фуллерены, фуллериты 389
12.5.Углеродные нанотрубки. 391
12.6. Графен 396
12.7. Размерность процессоров........................................................ 400
12.8. Фториды редкоземельных элементов 404
Резюме................................................................................................ 409
Вопросы для самопроверки.............................................................. 410
Заключение......................................................................................... 412
Тесты для самоконтроля................................................................ 414
Глава 1. Материаловедение. Структура материалов....................... 414
Глава 2. Стали.................................................................................... 413
Глава 3. Чугуны................................................................................. 419
Глава 4. Цветные и редкие металлы и сплавы.................................. 421
Глава 5. Сплавы с особыми физическими свойствами..................... 424
Глава 6. Полимерные материалы..................................................... 427
Глава 7. Керамика............................................................................. 429
Глава 8. Стекло.................................................................................. 430
Глава 9. Композиционные материалы.............................................. 432
Глава 10. Древесные материалы....................................................... 433
Глава 11. Строительные материалы................................................. 435
Глава 12. Наноструктурированные материалы............................... 436
Ключи к тестам для самоконтроля................................................ 437
Задания для курсовой работы....................................................... 438
Вопросы для подготовки к экзамену............................................. 441
Глоссарий........................................................................................... 445
Список источников информации....................................................... 459
Предисловие.
Дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» входит в учебные планы подготовки инженеров и нескольких естественнонаучных направлений бакалавриата. Изучение этой дисциплины направлено на систематизацию уже имеющихся у студентов знаний и приобретение ими новых знаний. Необходимость в написании данного учебного пособия возникла в связи с вводом в действие ФГОС ВПО третьего поколения и соответствующими изменениями в учебных планах, а также развитием дистанционных методов обучения. Его содержание опирается на ранее опубликованные нами учебные пособия: «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 1. Металловедение» [1], «Материаловедение и технология конструкционных материалов. Ч. 2. Неметаллические материалы» [2], «Материаловедение» [3]. Одной из задач авторов было создание книги, полезной как студентам очной формы обучения, так и для студентов, обучающихся дистанционно (или заочно). Эта задача обусловила структуру пособия, состоящего из глав с однотипным построением. В разных вузах, с учетом отраслевой направленности и объема часов, выделенных на освоение дисциплины, может варьироваться количество глав, а также объем изучаемого материала. Особенностью данной книги является большое количество имеющегося в ней справочного материала, поэтому его можно использовать и как справочник. При этом для каждого из видов материалов представлены как общепринятые данные, так и современная информация о материалах.
Представляемое учебное пособие состоит из двенадцати глав. В первой главе рассматривается кристаллическая структура веществ, в последующих одиннадцати главах – материалы: стали, чугуны, цветные металлы, металлы и сплавы с особыми физическими свойствами, полимеры, керамика, стекло, композиционные материалы, древесина, строительные материалы, наноматериалы.
Металлические и неметаллические материалы охарактеризованы по принятой в материаловедении последовательности: состав - структура -свойства - области применения. При рассмотрении ряда материалов использована более многофакторная формула: состав - структура - дефекты -дисперсность - свойства - области применения. В каждой главе даны методические рекомендации по её изучению, представлено краткое резюме, вопросы для самоконтроля. Тестовые задания и ключи ответов позволяют провести самооценку приобретённым знаниям. Приведены возможные темы курсовых работ и рекомендации по их выполнению. Предусматривается, что при выполнении курсовой работы каждый из студентов углублённо изучит определённые виды материалов, с которыми он будет работать в своей последующей практической деятельности.
Книга написана на основе многолетнего опыта преподавания авторов на физическом, химическом и экономическом факультетах, а также в Институте математики, естественных наук и информационных технологий и Институте дистанционного обучения Тюменского государственного университета.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам:
В.М. Матюнину доктору технических наук, профессору кафедры технологии металлов МЭИ(ТУ), г. Москва;
И.М. Ковенский, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой материаловедения и технологии конструкционных материалов ТГНГУ;
А.Г. Ивашко доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой информационных систем ТюмГУ;
за внимательное прочтение рукописи и сделанные ценные замечания.
Мы также будем благодарны читателям за указание возможных неточностей и высказанные пожелания, которые просим направлять по электронной почте: Vakulin@sibtel.ru и andreev@utmn.ru.
Книга подготовлена к изданию при финансовой поддерки НИР 7-12 (3.3763.2011).
Теоретические материалы.
Глава 1. Материаловедение. Структура материалов.
Уровень материалов определяет уровень развития цивилизации
В материаловедение свойства материалов рассматриваются в последовательности «состав – структура – свойство».
Цель:
Сформировать представление о материаловедении как о науке, изучающей строение и свойства материалов.
Задачи:
- прочитать и понять определения данные в разделе;
- привести свои примеры различных видов материалов.
- представить, как устроена кристаллическая структура, и какие виды элементарных ячеек в ней выделяют;
- понять основные определения кристаллохимии;
- ознакомиться с основными видами элементарных ячеек металлов и понять, как им присваиваются краткие обозначения;
- уяснить в чём различия между точечными и линейными дефектами в реальной структуре веществ;
- узнать, как строится диаграмма состояния;
- выяснить, какими механическими свойствами характеризуются материалы и как данные свойства измеряются.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 2318; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!