Для сдачи тестов, рубежного контроля, а также закрепления материала используйте браузеры MS Internet Explorer, Mozilla Firefox, Chromium
    Главная страница электронного учебника План урока
    Содержание дисциплины

    Введение. Строение и свойства материалов

    Учебная тема
    Введение. Строение и свойства материалов

    Тема 1. Введение

    Материаловедение относится к числу основополагающих учебных дисциплин для студентов специальностей приборного и радиоэлектронного профиля. Это связано прежде всего с тем, что применение, разработка новых материалов являются основой современного производства и определяют уровень научно технического и экономического развития страны. Проектирование рациональных, конкурентоспособных изделий невозможно без достаточного уровня знаний в области материаловедения. Наконец, материаловедение – база для изучения многих специальных дисциплин.

    Материаловедение – прикладная наука о связи состава, строения и свойств мате риалов. Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии.

    В настоящем учебнике изложены методические основы материаловедения, рассмотрены закономерности формирования структуры металлов и сплавов, а также структуры пластмасс, стекла и керамики. В разделах, посвященных материалам с особыми электрическими, магнитными свойствами, особое внимание уделено современным полупроводниковым, диэлектрическим, магнитомягким и магнитотвердым материалам. Использованы результаты научно исследовательских работ, выполненных учеными высшей школы по программе “Новые материалы” в рамках научно технической программы Министерства образования Республики Казахстан по приоритетным направлениям науки и техники.

    В ряде случаев материалы радиоэлектронной техники должны выдерживать резкие перепады температур (термоудары), повышенную влажность окружающей среды, воздействие химически активных веществ, проникающее излучение и др. Электрорадиоматериалы должны быть также устойчивы к механическим воздействиям, вибрациям, ударным нагрузкам при больших ускорениях, что характерно для эксплуатации бортовой аппаратуры авиационной и космической техники.

    Чтобы правильно использовать электрорадиоматериалы, необходимо представлять себе физическую сущность явлений, характерных для каждого типа материала при его взаимодействии с электрическими и магнитными полями, а также при влиянии на него основных физико-технологических факторов. Без знания структуры электрорадиоматериалов невозможно правильное понимание электрических и магнитных свойств материалов, их механической прочности, процессов старения и т. д.

    При выборе того или иного материала для изготовления радиоэлектронных устройств важное значение имеет экономический аспект, т. е. электрорадиоматериалы должны иметь минимальную стоимость при условии обеспечения требуемых технических параметров.

    После изучения дисциплины студенты должны понимать природу и особенности основных групп представленных в учебнике материалов, знать физический смысл параметров материалов, их зависимость от методов получения, уметь сделать выбор наиболее эффективного материала для конкретной цели.

     

     

    Контрольные задания по теме “Введение”

    1.Что изучает материаловедение?

    2.На какие виды делятся электротехнические материалы?

    3.Из каких разделов состоит предмет материаловедение?

    4.Назовите основные характеристики электротехнических материалов?

    5.Каким строением обладают вещества?

    6.Какими свойствами обладают материалы?

    7.Какой вклад внес в развитие металлургии П.П.Аносов?

    8. Какой вклад внес А.К.Чернов?

    9.Какие материалы являются электротехническими?

    10.Почему необходимо знать характеристики материалов?

    11.Перечислите основные механические характеристики материалов?

    12.Что называется сплавом?

    13.Чем отличается сплав от чистого металла?

    14.Какую зависимость имеют свойства сплавов от их состава и строения?

    15.Перечислите основные свойства алюминия.

    16. Перечислите основные свойства меди.

    17.Перечислите основные свойства железа.

    18.Перечислите основные свойства титана.

    19. Перечислите основные свойства магния.

    20.Как получают чугун?

    21.Как получают сталь?

    22.Каков состав шихты?

    23.Для чего служат флюсы?

    24.Как получают сталь кислородно-конверторным способом.

    25. Как получают сталь бессемеровским способом.

    26.Что такое аустенит?

    27. Что такое феррит?

    28. Что такое цементит?

    29. Что такое перлит?

    30. Что такое ледебурит?

    Тема 2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

    Классификация металлов. Большое число различных металлов, которые применяют в технике, можно разделить на черные и цветные.

    Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом.

    Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску -красную, желтую, белую; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутствие полиморфизма.

    К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным все остальные металлы и их сплавы.

    Черные металлы представляют собой сложные сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой, фосфором и другими элементами. Однако основным элементом, оказывающим главное влияние на свойства этих металлов, является углерод. В зависимости от его содержания сплавы делят на стали и чугуны.

    Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%,а чугунами- свыше 2,14%.

    Цветные металлы подразделяют на тяжелые(медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро) Цветные металлы обладают многими ценными свойствами, которые определяют применение их в промышленности. Но из–за не большого содержания цветных металлов в рудах, большой трудоемкости получения и высокой стоимости объем их производства незначителен. Во всех случаях, когда это допустимо, цветные металлы заменяют черными металлами, пластмассами и синтетическими материалами.

    Металлы характеризуются механическими, физическими, химическими, технологическими свойствами. Они определяют соответствие выбранного материала расчетным нагрузкам при проектировании и обеспечивают надежность и долговечность машины в эксплуатации.

    – физические: плотность, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.;

    – химические : способность вступать в химические соединения, жаростойкость, способность сопротивляться воздействию окружающей среды и др;

    – механические : прочность, пластичность, твердость, упругость, вязкость усталость, ползучесть, износостойкость и др.;

    – технологические : литейные свойства, ковкость, обрабатываемость резанием, свариваемость, прокаливаемость и др. ;

    –эксплуатационные: сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.

    Все эти свойства определяются составом и строением материалов. В природе существуют две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам: кристаллические и аморфные.

    Кристаллические тела остаются твердыми, т.е. сохраняют приданную им форму до определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Переход из одного состая ния в другое протекает при определенной температуре плавления.

    Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении про цесс идет в обратном направлении.

    Кристаллическое состояние твердого тела более стабильно, чем аморфное. В результате длительной выдержки при температуре, а в некоторых случаях при де формации, нестабильность аморфного состояния проявляется в частичной или полной кристаллизации, например помутнение неорганических стекол при нагреве.

    Наиболее распространенные сложные кристаллические решетки металлов :

    – объемно-центрированная кубическая (ОЦК);

    – гранецентрированная кубическая (ГЦК);

    – гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

    Решетку объемно-центрированного куба имеют К,Мо,V,Cr; гранецентрированная кубическая -Al,Ni,Cu,Ag; гексагональную-Be,Mg,Co,Zn,Ti.

    Некоторые металлы в твердом состоянии(железо, кобальт, марганец и др.) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом под влиянием температуры и давления.

    Расстояние между соседними атомами в кристаллической решетке (параметр решетки) исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей-ангстремом (Ао), который равен 1А=10-8 см, или нанометром(1нм=10-9 см). Параметры решетки металлов(периоды решетки)находятся в пределах 0,2…0,7нм;их определяют методом рентгеноструктурного анализа.

    Аморфные тела изотропны,то есть имеют одинаковые свойства по свем направлениям.Кристаллические тела обладают свойством анизотропии. Анизотропия – это зависимость свойств кристаллических тел от направления, возникающая в результате разных расстояний между атомами (ионами, молекулами)в различных кристаллографических направлениях. Анизотропия присуща всем свойствам кристаллов: температурному коэффициенту линейного расширения, удельному электрическому сопротивлению, магнитным свойствам, модулю упругости. Но это все характерно для монокристаллов, которые получают в основном искусственным путем. В природе кристаллические тела – поликристаллы и состоят из множества различно ориентированных кристаллов. В этом случае анизотропии нет, их считают мнимоизотропными. В процессе обработки давлением наблюдается параллельная ориентация различных кристаллов, такие структуры называют текстурованными и они анизотропны.

     

    Контрольные задания по теме “Строение и свойства материалов”

    1.Что представляют собой черные металлы?

    2.Чем отличаются черные и цветные металлы?

    3.Какие сплавы называются сталями, а какие чугунами?

    4.Какими свойствами обладают аморфные и кристаллические тела?

    5.Какое явление называется аллотропией?

    6.Описать процесс кристаллизации.

    7.Описать явление квазиизотропии.

    8.Какие тела являются аморфными, а какие кристаллическими?

    9.Назовите дополнительные характеристики кристаллических решеток.

    10.Что определяют координационным числом.

    11.Что определяют методом рентгеноструктурного анализа?

    12.Какие кристаллические решетки являются наиболее распространенными?

    13.Какими свойствами обладают поликристаллы?

    14.Какие структуры называются текстурованными?

    15.В чем проявляется нестабильность аморфного состояния?

    16.Что определяют по механическим свойствам?

    17Какую способность характеризуют технологические свойства металлов?

    18.Какие свойства металлов называют химическими?

    19.Почему важны физические свойства металлов?

    20.Чем связанно аллотропическое превращение твердого тела?

    21.Как обозначаются аллотропические формы?

    22.Какие металлы не претерпевают аллотропических превращении?

    23.На какие группы делятся цветные металлы?

    24.Основные элементы входящие в состав черных металлов?

    25.Целесобразность использования цветных металлов.

    26.Какие электроны называются валентными?

    27.Какие частицы называются ионами?

    28.Чем характеризуется ковалентная связь?

    29.Какие вещества имеют аморфно-кристаллическое строение?

    30.Какой материал называют ситаллом?


    Закрепление материала
    Тестирование материала
    Содержание дисциплины

    Методы технических испытаний материалов