Лекции_Матвед_Минаков (Лекции)

Курс «Материаловедение»Лекции: 51 час (16 раз * 1 (2) лекции)Лабораторные работы: 17 часов (4 раза х 2 л/р)Домашнее задание: сдача/защита на лабораторном практикумеСамостоятельная проработка курса: 30 часовЛектор: Минаков Александр Александрович101 ауд. ГУК, УДЦ «Физико-механические свойства материалов»электронная почта: labmatved@yandex.ruмоб. телефон: 8-915-344-72-70→ Как найти 101 ауд. ?МодулиIII1-ая часть курсаIIIIVЛабораторный практикумЭкзамен4 раза х 2 л/р = 8 л/рпо II части0...25 баллов 0...25 баллов(выполнение+защита)курса= Оц1=Оц2Домашнее задание0...30 баллов(выполнение+защита)(0-14 – «2»; 15-17 – «3»;(0-17 – «2»; 18-20–0...20баллов18-20 – «4»; 21-25 – «5»)«3»; 21-25 – «4»;<12баллов–незачётполаб-муЕсли:26-30 – «5»)практикуму+недопускдо«2» – незачёт+данныеэкзаменамодули выносятся на(0-11 – «2»; 12-13 – «3»; 14-16 –экзамен;«4»; 17-20 – «5»)от «3» до «5» –зачёт+данные модули не0...20 + 0...30 = 0...50 баллов = Оц3выносятся на экзамен.(0-29 – «2»; 30-33 – «3»; 34-41 – «4»; 42-50 – «5»)Если:«2» – незачёт по II части курса => экзамен на пересдачу;от «3» до «5» – зачёт по II части курса.Итог по экзамену (при успешной сдаче всего перечисленного)Оценка за экзамен = ( Оц1 + Оц2 + Оц3 ) / 3Лабораторные работы проходят накафедре МТ-8 в ГУК (3-ий этажвверх по лестнице над сбербанком).Номер кабинета НЕ совпадает сномером л/р, найти кабинетпоможет дежурный инженер изкабинета № 13)На л/р приходитьподготовленными по теории(изучайте мини конспекты,которые я вышлю Вашемустаросте)!Верхнюю одежду перед л/р сдаватьв гардероб.группапреподавателиЭ 10 – 51Б + Э 10И – 51Бсреда (чс)(15-40 – 19-00)номера лабораторных работ *2,37,85,69,10Смирнов А.Е.Фомина Л.П.10 ноября24 ноября8 декабря22 декабряЭ 10 – 52Бсреда (зн)(15-40 – 19-00)Крукович М.Г.Березина Т.А.20 октября3 ноября17 ноября1 декабряЭ 9 – 51Бпонедельник (чс)(15-40 – 19-00)Смирнов А.Е.Курганова Ю.А.25 октября8 ноября22 ноября6 декабряЭ 9 – 52Бвторник (чс)(8-30 – 11-50)Мохова А.С.Березина Т.А.9 ноября23 ноября7 декабря21 декабря* - названия лабораторных работ смотрите с методических указаниях (будут присланымной старосте Вашей группы)ВведениеМатериаловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строениеми свойствами материалов и закономерности их изменения под воздействиемвнешних факторов (механических, тепловых, химических, радиоактивных,электромагнитных)Какие материалы изучает?Что создал человек?Что дала природа?Множество деталей и конструкцийопределённые требования(механические, эксплуатационные и т.д.)отвечают ли требованиям?металлы (Ме) не металлы (неМе)(различные руды)чаще всего нетпотребность в создании материаловкаких материалов?Конструкционные материалы – это такие материалы, из которыхизготавливаются различные виды конструкций и деталей машин,воспринимающих силовые нагрузки.Основные конструкционные материалы:~ 90 % от всех1) сплавы на основе Fe («чёрныеметаллы») – сталь и чугун;2) сплавы на основе Al, Cu, Ti и т.д.(«цветные металлы»).Новые классы конструкционныхматериалов:~ 10 % от всех- полупроводники;- пластические массы;- композиционные материалы;- аморфные сплавы;- металлокерамики;- сверхпроводящие керамики;- наноматериалы;- материалы с памятью формы и т.д.Конструкционные материалы обладают комплексом свойств и характеристик,отвечающих заданным требованиямА как получить эти свойства и повлиять на них?СВОЙСТВАСТРОЕНИЕ (СТРУКТУРА)ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВА как повлиять на хим-ий состав и структуру?Этапы технологии металлов:I – Металлургия – получение металла заданного состава(косвенно и формы)II – Механическая технология – получение из металла изделийзаданной внешней формыIII – Термическая обработка (Т.О.) или химико-термическаяобработка (Х.Т.О.) – получение заданных (!!!) свойствИзменениеструктурына всехэтапахСодержание курсаI часть курса – «Закономерности формирования структуры и способы управлениясвойствами материалов»(32 часа = 16 лекций ~ 10,5 недель → 2 модуля)II часть курса – «Материалы, применяемые в машиностроении»(19 часов = 9,5 лекций ~ 6,5 недель → модуль-экзамен)I часть «Закономерности формирования структуры и способыуправления свойствами материалов»3 главы( I модуль )3 главы( II модуль )Глава I «Кристаллическое строениематериалов»Глава IV «Сплавы.

Влияние химическогосостава сплава на структуру сплавов»Глава II «Формирование структурыметалла в процессе литья»Глава V «Влияние термической обработкина структуру и свойства сплавов»Глава III «Формирование структурыметалла при деформировании»Глава VI «Влияние химико-термическойобработки и поверхностной термическойобработки на структуру и свойствасплавов»Глава I «Кристаллическое строение материало⻧ 1. Закономерности расположения частиц в материалахАгрегатные состояния веществагазообразноенетзакономерностирасположениячастиц; частицыхаотичнодвигаются,отталкиваясь однаот другойжидкоечастицы сохраняют ближний порядок(неустойчив, то возникает, то пропадаетпод действием энергетическихтепловых колебаний, т.е.

небольшоекол-во частиц закономернорасположено в пространстве)твёрдоечастицы сохраняютдальний порядок, т.е.во всём объёмематериала частицызакономернорасположены впространствеТвёрдое состояние = кристаллическое состояние, для которого характернозакономерное расположение атомов в пространствеА почему именно закономерное расположение?§ 2. Устойчивость кристаллического состоянияУстойчивость материала с кристаллическим состоянием зависит от силпритяжения и отталкивания между частицами (атомами) в твёрдом телевзаимодействиеэлектронови«+» ядраFприт(кул)взаимодействие«+» ядерсоседних атомовFоттПри a´ Fприт = Fотт ; Eвзаим = Emin → система максимально устойчиваА всегда ли твёрдое состояние является синонимом кристаллическому состоянию?§ 3.

Аморфное состояние материалаПримеры: неорганическое стекло; ситаллы(стеклокристаллические материалы)стекложидкоепостепенногустеетпостепенноразмягчаетсятвёрдоеСтруктура неорганического стекла:а) кварцевогоб) натрийсиликатногоВ отличие от металлов у аморфныхматериалов отсутствует определённая температура плавления. Также строениеаморфных материалов неупорядоченное и неоднородное, а самое главное ононестабильно (повторный нагрев, длительная выдержка при tкомн, деформацияприводят к частичному или полному переходу в твёрдое состояние [например,помутнение органических стёкол]).

Как получить аморфные материалы смотри вглаве II.Итог по § 1+2 – Все металлы (а также сплавы) тела твёрдые и кристаллические,имеющие высокую Eсвязи между атомами (для полного разделения атомовтребуется высокая энергия сублимации E∞ - Emin)Какая же бывает связь между частицами в кристаллических материалах?§ 4. Типы связей в кристаллических материалахА. Молекулярная связь (силы Ван-дерВаальса):- между атомами/молекулами/ионами(H2, Y2, Cl2, H2O, CO2, органическиевещества);- образование диполей при поляризации;- связь ненаправленная, т.к.

соседниечастицы равноценны;- укладка частиц компактная;- связь слабая (Eсвязи ~ 0,1-1 кДж/моль)Свойства кристаллов: низкая tплавл,диэлектрики.Б. Ионная связь :- между ионами Ме и неМеK - 1e → K(+)KF;1e + F → F (-)- электростатическое притяжение междуразноимённо-заряженными ионами;- связь ненаправленная;- укладка частиц компактная;- связь сильная (Eсвязи ~ 10-100 кДж/моль)FKСвойства кристаллов: высокая tплавл, низкий коэффициент линейногорасширения, полупроводники или диэлектрики.В.

Ковалентная связьGe32 1s22s22p63s23p63d104s24p2- между элементами подгрупп IVB-VIB: C, Se,Si, Ge, т.е. металлоиды и полупроводники,алмаз);- создание валентной зоны приобобществлении (обмене) валентныхэлектронов соседних атомов;- связь направленная;- укладка частиц неплотная (у Ge всего 4соседа);- связь сильная (Eсвязи ~ 100 кДж/моль)Свойства кристаллов:полупроводники/диэлектрики, высокаятвёрдость (=> высокая хрупкость).Г. Металлическая связь:- между Ме (все подгруппы А и IB-IIIB);- обобществление (коллективизация)валентных электронов;- связь ненаправленная;- наиплотнейшая укладка частиц;- связь средняя (Eсвязи ~ 10 кДж/моль)«электронный газ»Итог: для металлов (кроме переходных) характерен металлический типсвязи, что придаёт им характерные свойства металлического состояниявеществавысокая пластичность(т.к.

есть периодичностьстроенияисвязьненаправленная)положительныйтемпературныйкоэффициентэлектросопротивления(т.к. с ↑t → увеличиваетсяколебанияатомов,нарушаетсяпериодичностьпотенциального поля → ↓подвижность электронов→ ↑ R)высокаяэлектропроводность(т.к. есть свободныеэлектроны)Свойстваметаллическогосостояниявысокаятеплопроводность(т.к.высокаяподвижностьсвободныхэлектронов)хорошая отражательнаяспособность(Меблестит и непрозрачен)термоэлектроннаяэмиссия (т.е. способностьиспускать электроны принагреве)явление сверхпроводимости (т.к. при низкихтемпературах образуются пары электронов →R→ 0)Так что же из себя представляет компактное кристаллическое строение?§ 5.

Атомно-кристаллическая структура Ме (идеальный случай)Атомно-кристаллическая структура – это взаимное расположение атомов (т.е.ионов) в кристалле.Кристалл – это совокупность атомов (т.е. ионов), расположенных в определённойпоследовательности, повторяющаяся периодически в пространстве и имеющаяправильную геометрическую форму.Для описания атомно-кристаллической структуры используется понятиекристаллическая решётка (КР).КР – воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаютсяатомы (т.е. ионы), образующие Ме.Для описания любой КР вводится понятие элементарной кристаллическойячейки (ЭЯ).ЭЯ – наименьший объём кристалла, последовательным перемещением которого впространстве вдоль 3-х осей может быть построена вся КР.характеристики ЭЯ:- единичные отрезки(периоды) a,b,c;- углы между осямиα,β,γ.Возможны семь кристаллографических систем:1) триклинная a≠b≠c и α ≠ β ≠ γ ≠90°;2) моноклинная a≠b≠c и α = γ = 90° , β ≠90°;3) ромбическая a≠b≠c и α = β =γ = 90°;4) гексагональная a=b≠c и α = β = 90°, γ = 120°;5) ромбоэдрическая a=b=c и α = β = γ ≠90°;6) тетрагональная a=b≠c и α = β = γ = 90°;7) кубическая a=b=c и α = β = γ = 90°;СпомощьюЭЯможнодатьобозначения :1) атомных плоскостейчерез индексы (h k l) – это числа,величины которых обратны осевымотрезкам,отсекаемыхданнойплоскостью на осях координатплоскость (111) – 4 шт;{111} – семейство плоскостей2) атомных направленийчерез индексы [u v w] – это значениякоординат ближайшего узла, черезкоторое проведено направление ( это луч [н.к.; произвольная точка]),приведённые к отношению трёхнаименьших чиселнаправление [110] – 3 шт;<110> – семейство направленийКР характеризуется следующими показателями:а) n – число атомов, приходящихся на одну ЭЯ;б) плотность КР характеризуется координационным числом К – это числоатомов, находящихся на равном и наименьшем расстоянии от данного атомав) коэффициент заполнения ячейки η=(Vатомы/Vячейки)*100 %Все КРпростые (n=1)сложные (n>1)Итог: Ме обладают всего тремя сложными высокосимметричными КР (снаиплотнейшей укладкой):- кубическая объёмоцентрированная (ОЦК);- кубическая гранецентрированная (ГЦК);- гексагональная плотноупакованная (ГПУ).кубическаякубическаяобъёмоцентрированнаягранецентрированная(ОЦК) – V, Cr, Mo, Ta, … (ГЦК) – Ni, Cu, Al, Ag, Au, ...n = 8* (1/8) + 1 = 2узловойцентральный вобъёмеК=8n = 8* (1/8) + 6*(1/2) = 4узловойцентральныйв граняхгексагональнаяплотноупакованная(ГПУ) – Mg, Zn, Be, …n = 12* (1/6) + 2*(1/2) + 3 = 6узлышестигранникацентршестигранникасобственныеприc/a=1,639К=12К=12η=74%η = 68 % (остальноепустоты)η = 74 % (остальноепустоты)* При c /a ≠1,639 решёткуназывают гексагональной (К=6,η=50%)Некоторые Ме имеют простую кубическуюрешётку (обозначается K6) – Si и др.Некоторые Ме имеют тетрагональнуюрешётку – Mn, Ga и др.Тетрагональная решётка характеризуетсястепенью тетрагональности c/aКР ГПУКР ОЦК«заполнение шарами (атомами)»А всё ли так идеально в структуре кристаллов?§ 6.