Травин О.В. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ

(образован в 1953 году)

__________________________________________________________

Кафедра «Пищевые машины»

Дистанционное Пищ.маш. 2.22.1706.зчн.плн.

обучение Пищ.маш. 2.22.2713.зчн.плн.

Пищ.маш. 2.22.1706.зчн.скр.

Пищ.маш. 2.22.2713.зчн.скр.

Пищ.маш. 2.22.1706.дст.

Пищ.маш. 2.22.2713.дст.

О.В. Травин

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Учебно-практическое пособие для студентов

специальностей 1706 и 2713 всех форм обучения

www.msta.ru

Москва – 2004 г.

УДК 620.22

T 65

Ó Травин О.В. Материаловедение. Учебно-практическое пособие. – М.,

МГУТУ, 2004

В данном учебно-практическом пособии доктора технических наук,

профессора О.В. Травина в кратком и систематическом виде изложено

содержание курса материаловедения. Рассмотрены атомно-кристаллические

строения и основные свойства конструкционных материалов, различные классы

материалов на металлической и неметаллической основах. Для каждого из них

специально отмечены области использования в пищевой промышленности.

После каждой темы даны вопросы и тесты, позволяющие контролировать

степень усвоения материала.

Пособие предназначено для студентов специальностей 1706 и 2713 всех

форм обучения

Автор: Травин Олег Владимирович

Рецензенты: Зав. лабораторией ИХФ РАН, к.х.н. Козлов Ю.Н.;

Ведущий научный сотрудник ЦРБ ФГУП (ЦНИИЧМ им. И.П.

Бардина), к.т.н. Мойш Ю.В.

Редактор: Свешникова Н.И.

109004, Москва, Земляной вал, 73

Оглавление

Введение……………………………………………………………………….5

Тема 1. Структура и свойства материалов………………………………….5

1.1. Основные характеристики структуры……………………….………5

1.2. Основные характеристики свойств материалов…………………….7

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………..11

Тест по теме…………………………………………………………….11

Тема 2. Железо и сплавы на его основе……………………………………..12

2.1. Превращения, происходящие

в аустените при его нагреве и охлаждении………………………….13

2.2. Классификация сплавов системы Fe-C по структуре……………….13

2.3. Термическая обработка сталей……………………………………….14

2.4. Химико-термическая обработка………………………………………17

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………...18

Тест по теме……………………………………………………………..19

Тема 3. Конструкционные стали……………………………………………..19

3.1. Конструкционные углеродистые стали……………………………...19

3.2. Легированные конструкционные стали……………………………...21

3.3. Высокопрочные легированные стали………………………………...22

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………...24

Тест по теме……………………………………………………………..24

Тема 4. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали………………………..25

4.1. Коррозионно-стойкие стали…………………………….…………….26

4.2. Жаростойкие стали……………………………………………………28

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………..30

Тест по теме…………………………………………………………….30

Тема 5. Стали и сплавы с особыми свойствами…………………………….30

5.1. Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами……………….30

5.2. Стали и сплавы с особыми электрическими свойствами…………...32

5.3. Сплавы с особыми физико-механическими свойствами……………34

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………….…..35

Тест по теме……………………………………………………………..35

Тема 6. Сплавы с высокой удельной прочностью…………………………..36

6.1. Магнитные сплавы…………………………………………………….36

6.2. Бериллиевые сплавы…………………………………………………...37

6.3. Алюминий и сплавы на его основе…………………………………...37

6.4. Титан и титановые сплавы…………………………………………….39

Вопросы для самоконтроля по теме……………………………………41

Тест по теме……………………………………………………………...41

Тема 7. Сплавы на медной основе…………………………………………….42

7.1. Латуни…………………………………………………………………..42

7.2. Бронзы…………………………………………………………………..43

Вопросы для самоконтроля по теме…………………………………..44

Тест по теме…………………………………………………………….45

Тема 8. Пластические массы и неметаллические материалы…..………….45

8.1. Пластические массы………………………………………………….45

8.2. Важнейшие пластмассы,

используемые в пищевой промышленности………………………..47

8.3. Резины…………………………………………………………………51

8.4. Стекло…………………………………………………………………52

8.5. Керамика………………………………………………………………53

Вопросы для самоконтроля по теме………………………………….54

Тест по теме……………………………………………………………54

Тема 9. Влияние способов изготовления конструкционных

материалов на их свойства и области применения………………55

9.1. Основы рационального

выбора конструкционных материалов…………………………….57

Вопросы для самоконтроля по теме………………………………….59

Тест по теме……………………………………………………………59

Решение тренировочных заданий…………………………………………...59

Тесты по дисциплине………………………………………………………...64

Правильные ответы на тесты по темам……………………………………..66

Перечень лабораторных работ………………………………………………66

Список рекомендуемой литературы………………………………………...66

Введение

Материаловедением называют область знаний, в которой излагаются

закономерности, связывающие состав и структуру материалов с их свойствами,

а также изменением свойств материалов в условиях эксплуатации.

Материаловедческая наука связана не только с совершенствованием

традиционных классов конструкционных материалов, но и с созданием

принципиально новых.

Для понимания связей между структурной и свойствами, прежде всего,

необходимо ознакомиться с основными характеристиками структуры и свойств.

Тема 1. Структура и свойства материалов

1.1. Основные характеристики структуры

Структурой называют особенности внутреннего строения материалов. По

этому признаку все материалы делят на аморфные и кристаллические.

Аморфными называют материалы, в которых расположение образующих

их элементарных частиц (атомов или молекул) – хаотично, т.е. неупорядоченно.

К числу таких материалов относятся пластмассы, стекло, керамики, резины.

Большинство металлических материалов являются кристаллическими, т.е.

образующие их атомы упорядоченно расположены в трехмерном пространстве,

образуя закономерно чередующиеся ряды, называемые кристаллическими

решетками.

Наименьший элементарный объём, с характерным для того или иного

материла расположением атомов в пространстве, называется элементарной

ячейкой

. Все элементарные ячейки описывают набором признаков: 1)

симметрией, 2) параметрами или периодами решетки, 3) координационными

числами, 4) базисом решетки и 5) коэффициентами компактности.

Существует 7 основных групп симметрии, которые различаются углами

между осями решетки (обозначаются, как α, β и γ) и периодами (расстояниями

между атомами вдоль каждой из осей (обозначаются они через a, b и c)

соответственно вдоль осей X, Y, Z).

Периоды кристаллических решеток измеряются в нанометрах (10

-9

метра,

краткое обозначение нм), либо в ангстремах ( 10

-10

метра, обозначается Å, 1

нм

10 Å).

В ряде кристаллических ячеек атомы расположены не только в узлах

(местах пересечения осей), но также и в других частях объёма ячейки,

например, в его центре или в центрах граней. Тогда первый тип решетки

называется объемно-центрированной, а второй – гранецентрированной

решеткой.

Подавляющее большинство металлов имеет объемно-центрированные

решетки, гранецентрированные, кубические решетки, либо гексагональные

плотноупакованные. Краткие обозначения этих типов решеток ОЦК, ГПУ и

ГЦК, соответственно.

Координационным числом (Z) называется число атомов, находящихся на

наиболее близких и одинаковых расстояниях от произвольно выбранного

любого атома в решетке. Для ОЦК решеток Z = 8, для ГЦК и ГПУ – 12.

Базисом решетки называется количество атомов в одной элементарной

ячейке. Для ОЦК решеток базис равен 2, для ГЦК – 4, для ГПУ – 6.

Коэффициентом компактности решетки ŋ называется отношение объёма,

занимаемого сферическими атомами Va ко всему объёму элементарной ячейки

V, т.е. ŋ = Va/V. Для ОЦК решёток ŋ равно 0,68, для ГЦК и ГПУ – 0,74.

Массивные объёмы материала могут состоять как из одного кристалла -

монокристалла, так и из множества зёрен, образующих поликристаллы.

Отдельные зёрна в поликристалле отличаются друг от друга ориентировкой в

пространстве.

Свойства кристаллических материалов зависят и от размеров зёрен, и от их

ориентировки в образце. Если имеет место беспорядочно реализуемая

ориентировка зёрен, то говорят, что материал изотропен. Если же наблюдается

преимущественная ориентировка зёрен, в каком либо направлении, то такая

преимущественная ориентировка называется текстурой, материал называется

текстурованным, а свойства являются анизотропными.

Для характеристики ориентации кристаллов применяется специальная

система обозначений расположения рёбер и граней в элементарной ячейке, а

также других направлений в ней, называемая системой индексов Миллера:

плоскости обозначаются индексами в круглых скобках (h, k, ℓ), где h, k и ℓ –

числа связанные с ориентацией плоскостей. Направления в кристаллической

решетке обозначаются заглавными буквами в квадратных скобках – [H, K,

L].Индексы направлений равны числам межатомных расстояний, отсекаемых

на осях координат. Так, в кубических решетках грани куба обозначаются как

(100), (010) и (001), а ребра куба как [100], [010], [001], соответственно осям X,

Y, Z.

Большинство свойств металлических материалов зависят от направлений в

кристаллических решётках. Такая зависимость называется анизотропией.

Для одной и той же подгруппы элементов периодической системы

Менделеева, металлы часто кристаллизуются с одним и тем же типом

кристаллической решётки. Но, имеется ряд металлов, которые меняют тип

решётки при переходе от одних внешних условий к другим (давление,

температура). К таким металлам относятся железо, титан, цирконий и др.

Благодаря тому, что скорость полиморфных превращений ограничена,

возникает принципиальная возможность значительно менять свойства

различных металлических материалов, используемых в технике.

Большинство конструкционных материалов являются сплавами двух или

более химических элементов, называемых компонентами. В сплавах при

плавлении образуются однородные области их объёма, называемые фазами.

Фазы могут быть следующими: жидкие растворы, твёрдые растворы,

химические соединения.

Твёрдые растворы делятся на твёрдые растворы замещения и внедрения.

При образовании твёрдого раствора замещения часть узлов решетки

основного компонента (растворителя) замещается атомами другого элемента.

При этом тип кристаллической решётки растворителя остаётся неизменным.

Образуемые металлическими элементами твёрдые растворы замещения могут

быть неограниченными (во всей области концентраций от 0 до 100%) и

ограниченными определённой областью концентраций растворяемого

элемента. Неограниченные твёрдые растворы образуются в системах Ag - Au,

Ni - Cu, Mo - W, Mo - V и др.

Твёрдые растворы внедрения образуются при растворении в решетке

металлического растворителя неметаллических атомов относительно малого

размера (H, B, C, N, O). При этом атомы неметаллических элементов

располагаются между атомами решетки растворителя в специальных пустотах

решётки, называемых порами (октаэдрическими и тетраэдрическими).

При определенных концентрациях атомов элементов, образующих сплав,

если имеет место сильное химическое взаимодействие атомов различных

сортов, образуются химические соединения.

К химическим соединениям относятся интерметаллиды (Ni

Aℓ, TiAℓ,

Mo и др.), карбиды – соединения металлов с углеродом (Fe

C, TiC, WC,

C и др.) нитриды – соединения с азотом (FeN, TiN, Fe

N) и др.

Выше, описывая кристаллическое строение материалов, мы негласно

подразумевали, что весь объём кристалла имеет идеальное строение. Однако,

следует учитывать, что в реальных кристаллах всегда существует большое

число мест, в которых идеальное строение кристалла нарушено. Такие места

носят название дефектов кристаллического строения. Обычно дефекты в

кристаллах характеризуют размерностью: 1) нульмерные (или точечные) –

вакансии, внедрённые атомы; 2) линейные – дислокации; 3) поверхностные –

дефекты упаковки плоскостей, двойники; 4) объёмные – поры. Кроме того,

существуют объёмные дефекты, многократно превышающие межатомные

расстояния (трещины, усадочные раковины и др.)

Тип указанных дефектов и их количество в материалах оказывают

значительное влияние на свойства материалов.

1.2. Основные характеристики свойств материалов

Прежде, чем дать описание конкретных характеристик физико-

механических свойств, необходимо рассмотреть основные требования,

предъявляемые к конструкционным материалам.

В общем случае конструкционные материалы должны обладать высокой

конструкционной прочностью, хорошей технологичностью, экономичностью и

быть недефицитными.

При выборе же материалов в продовольственном машиностроении,

помимо общих требований необходимо предусматривать их высокую

коррозионную стойкость в условиях воздействия пищевых сред при

повышенных температурах и давлениях, а также действие на них моющих и

дезинфицирующих сред. Ещё одним обязательным требованием является

необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при

контакте с пищевыми средами, учёт текущих и отдалённых вредных

воздействий этих компонентов на организм человека и на органолептические

свойства пищевых продуктов (цвет, запах, вкус).

Рассмотрим сначала перечень основных физико-механических свойств

конструкционных материалов.

Конструкционная прочность – это комплекс свойств, обеспечивающих

длительную и надёжную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации.

Она объединяет такие понятия как прочность (сопротивление материала

пластической деформации), надёжность (сопротивление материала хрупкому

разрушению) и долговечность (способность материала работать в течение

заданного времени).

В зависимости от условий эксплуатации изделий, в комплексе

характеристик, определяющих конструкционную прочность, превалируют те

или иные свойства и их сочетания.

Так, в условиях статического нагружения критериями прочности являются

предел текучести - s

0.2

, МПа (мегапаскаль) (напряжение, при котором

остаточная пластическая деформация составляет 0,2%) и временное

сопротивление (предел прочности) - s

, MПа. Определяют эти характеристики

при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение путём анализа кривых,

построенных в координатах «нагрузка – деформация», называемых кривыми

деформации.

Надёжность оценивается по ударной вязкости (КСU, или a

, МДж/м

), т.е.

по работе разрушения материала и по трещиностойкости – К

1с

, МПа×мм

1/2

или,

другими словами, способности материала противостоять развитию трещин.

Долговечность изделий зависит от условий их эксплуатации и

характеризуется такими параметрами, как: сопротивление ползучести (под

нагрузками при высоких температурах), сопротивление усталости (при

циклических нагружениях) и сопротивлением износу (истиранию при трении

соприкасающихся поверхностей).

Определение всех вышеперечисленных характеристик проводится путём

проведения специальных испытаний и является достаточно трудоёмкой

операцией и требует специального оборудования.

Наиболее простым методом определения механических свойств материала

является измерение твёрдости.

Твёрдостью называют сопротивление материала пластической деформации

при контактных нагрузках, для которых характерно резкое изменение

напряжений в поверхностном слое материала. Наиболее распространёнными

методами измерения твёрдости являются методы Бринелля, Роквелла, Виккерса

и измерения микротвёрдости.

По методу Бринелля в образец вдавливают стальной шарик и величину

твёрдости определяют по отношению приложенной нагрузки (P) к площади

отпечатка (S). Обозначается твёрдость как HB.

По методу Роквелла индентором может быть либо стальной шарик (шкала

В при нагрузке 1000 Н), либо алмазный конус (шкала С при нагрузке 1500 Н

(Ньютон) и А – при нагрузке 600 Н). Числом твёрдости является некоторая

условная величина, связанная с глубиной отпечатка при вдавливании

индентора. Эта величина определяется непосредственно на шкалах прибора. В

зависимости от используемого индентора и шкалы твёрдость обозначается как

HRB, HRC и HRA. Шарик используется для определения твёрдости

относительно мягких материалов, а алмазный конус - для твёрдых, причём

шкала A используется для измерения твёрдости тонколистовых материалов.

Метод Виккерса предлагает в качестве индентора алмазную пирамидку.

Твёрдость определяется по величине диагонали отпечатка и обозначается HV.

Этот метод чаще используют для определения твёрдости тонких лент и

покрытий.

Имеются специальные таблицы, по которым значения твёрдости,

измеренные одним методом, могут быть пересчитаны в величины твёрдости

для другого метода. Иногда значения твёрдости по Бринеллю используют для

приближённой оценки предела прочности: s

@ НВ/3. но этот пересчёт не всегда

бывает надёжным.

Для понимания природы характеристик различных эксплуатационных

физико-механических свойств, о которых речь шла выше, необходимо

рассмотреть кратко протекание процессов пластической деформации.

Деформацией называется изменение формы и размеров изделия под

действием приложенной нагрузки. Деформации делятся на упругие и

пластические. При упругой деформации после снятия нагрузки материал

возвращается к прежней форме и размерам. Эти деформации для металлов

составляют сотые доли %. Основная же часть деформации – пластическая,

когда при снятии нагрузки металл не возвращается к прежней форме и

размерам. Пластические деформации для поликристаллов составляют

несколько %, для монокристаллов – 100 - 200 %, в явлении сверхпластичности

– 1500 - 2000 %.

Величины пластической деформации зависят от типа кристаллической

решётки (для ГЦК решёток более высокие, чем для ОЦК), концентраций

примесей и размеров зерна. При уменьшении размеров зерна, величина

пластической деформации увеличивается. От этих же структурных

характеристик зависят и прочностные свойства материалов (s

и s

). Между

прочностными характеристиками материалов и размером зерна существует

соотношение, называемое уравнением Холла-Петча: s

+ K×d

-1/2

, где d –

размер зерна, а s

и К – константы. Из уравнения видно, что предел текучести

материала тем выше, чем меньше размер зерна.

Как же происходит пластическая деформация в материалах? Пластическая

деформация происходит путём движения специальных дефектов – дислокаций.

Дислокацией называется линия, ограничивающая зону сдвига в кристалле.

Движение это идёт не произвольным образом, а по определённым плоскостям

кристаллической решётки, называемым плоскостями сдвига и в этих

плоскостях сдвиг идёт вдоль определённых кристаллографических

направлений, называемых направлениями сдвига. Плоскость сдвига и

направление сдвига образуют систему сдвига (или систему скольжения). В

металлах с ГЦК решётками имеется 12 систем скольжения типа {111} <110>

(это не означает, что при деформации одновременно работают все 12, но, как

правило, 2 – 3 системы). В металлах с ОЦК решётками систем скольжения 48,

потому что в них имеется 4 направления скольжения типа <111>, вокруг

каждого, из которых расположено 12 плоскостей скольжения типа {110}, {112},

{123}. Фигурные и угловые скобки используются при указании всех плоскостей

и направлений данного типа.

Дислокации могут быть винтовыми и краевыми. Оба типа дислокаций

образуются при сдвиге друг относительно друга отдельных участков кристалла

и приводят к нарушению идеальности строения кристалла. Направление сдвига

и его величину характеризуют специальным вектором, называемым вектором

Бюргерса, его величина равна межатомному расстоянию в данном направлении.

Для винтовых дислокаций вектор Бюргерса направлен вдоль линии

дислокаций, для краевых – перпендикулярно ей.

Дислокации существуют в материалах ещё до приложения нагрузки и

начала деформации. Причём, плотность их довольно велика (порядка 10

-10

ед/см

в отожженных материалах).

При приложении нагрузок, достигающих предела текучести, дислокации

начинают двигаться, проходят через кристалл и выходят на поверхность,

образуя ступеньку – сдвиг. Высота ступеньки (а, следовательно, и величина

локальной деформации) равна сумме векторов Бюргерса от всех дислокаций,

прошедших в данной плоскости.

Но, не все дислокации, начав двигаться в кристалле, выходят на

поверхность, часть их тормозится внутри кристалла вблизи границ зёрен, либо

других неподвижных дислокаций. Вследствие этого в процессе деформации

плотность дислокаций внутри кристалла расчёт. А это накопление дислокаций

приводит к тому, что для дальнейшей деформации и кристаллу требуется

приложить напряжения более высокие, чем соответствующие напряжениям на

пределе текучести.

Это явление повышения роста напряжений в процессе деформации

получило название деформационного упрочнения.

Плотность дислокаций в кристалле при больших пластических

деформациях достигает r = 10

-10

см

-2

. Между деформирующим

напряжением (s

), соответствующим той или иной степени пластической

деформации, и, соответствующей ей плотностью дислокаций (r) имеется

определённая количественная связь, а именно, деформирующее напряжение

пропорционально корню квадратному из плотности дислокаций - s

» r

1/2

Описанные выше процессы движения и размножения дислокаций в

кристаллах, имеют многочисленные экспериментальные подтверждения,

полученные электронномикроскопическими, металлографическими и

рентгеновскими методами.

Если бы дислокаций в реальном кристалле не существовало, то прочность

таких кристаллов была бы в тысячу раз большей , чем обычно измеряемая, и

была бы близка к теоретически рассчитанной.