Кафедра МТ-6 «Физико-химического материаловедения и композиционных материалов»

Курс лекций

Москва, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение - это область знаний о материалах, способах их получения, испытания и рационального использования. Современные достижения техники неразрывно связаны с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы и технология стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных задач в машино- и приборостроении.

Практика постоянно предъявляет все более жесткие и разнообразные требования к свойствам и сочетанию свойств у материалов. В настоящее время число наименований материалов, применяемых в различных областях техники, составляет несколько тысяч. Отсюда ясно, что для целенаправленного выбора и использования того или иного материала необходимо знать закономерности поведения его в различных условиях эксплуатации.

Перед специалистами нередко возникают задачи и более сложные: не просто подобрать материал с соответствующим комплексом свойств, но и синтезировать его с заранее заданными параметрами. Для решения подобных задач требуется высокая квалификация в области материаловедения и смежных наук.

1.ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛОВ

Т

Рис.1.1. Схема двухфазной системы

1-дисперсионная среда

2-дисперсная фаза

ехнические параметры характеризуют поведение материалов в различных условиях и могут быть универсальными, т.е. применимыми ко всем телам, и специальными, применимыми к отдельным группам материалов. Существует множество отдельных групп материалов, в основу классификации которых положен определенный критерий. Например, по агрегатному состоянию выделяют твердые, жидкие и газообразные материалы. По фазовому составу-гомогенные и гетерогенные, кристаллические, полукристаллические и аморфные. По поведению в электрических полях-проводники, полупроводники и диэлектрики. По поведению в магнитных полях-магнитоактивные (магнетики) и магнитонеактивные. По происхождению-природные и синтетические, органические и неорганические.

1.ОБЪЕМНО-СТРУКТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ.

1.1.Плотность-d. Универсальный параметр. d = m/V кг/м³ где m - масса; V – объем тела.

Поскольку объем материала зависит от температуры, то и плотность является функцией температуры. Чаще всего плотность измеряют при комнатной температуре, т.е. при 25⁰С или 298К. Если же она измерена при другой температуре, то это указывается так: d³⁵⁰. 350 –температура в Кельвинах

1.2. Компонентный состав. Универсальный параметр

Компонентный состав определяет количество различных химических элементов и соединений, содержащихся в материале.

химические элементы: Al, Fe, Cu, Si, Ge и др.

химические соединения: SiC, Fe₃C, Al₂O₃ и др.

растворы: Ga_xIn_1-xAs, GaSb_yAs_1-y и др.

1.3. Фазовый состав. Специальный параметр для гетерогенных материалов.

Ф

Рис.1.2. Диаграмма фазового состояния.

азой называется однородная часть вещества , отделенная от других поверхностью раздела, при переходе через которую скачкообразно изменяются свойства материала. Примеры фаз: твердая, жидкая, газообразная, кристаллическая, аморфная, полиморфная и др. Непрерывная фаза называется дисперсионной средой или матрицей, а дискретная (распределенная) фаза, называется дисперсной фазой (см.рис.1.1). Материал, состоящий из нескольких фаз, называется гетерогенным или композиционным, из одной - гомогенным. Количество дисперсной фазы выражается через ее объемную долю в материале : =V_д/V, где V_д -объем дисперсной фазы, V - общий объем материала.

может изменяться в следующих пределах: 0    1 или 0    100 

Фазовый состав в зависимости от химического состава и температуры может быть представлен графически диаграммой фазового равновесия. В качестве примера на рисунке 1.2. показана диаграмма фазового состояния системы, компоненты А и В которой полностью растворимы друг в друге ( здесь Т-температура, L-область жидкого состояния, S-область твердого состояния). По диаграммам можно определять состав фаз, находящихся в равновесии, и их относительное количество при разных соотношениях компонентов и температурах. Используя фазовые диаграммы разрабатывают составы материалов с заданными свойствами.

1.4.Постоянная решетки–а [нм]. Специальный параметр для кристаллических материалов.

Этот параметр определяет период идентичности (повторяемости) кристаллической решетки.

2

Рис.1.4. Кривая прочности при растяжении

. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Для твердых материалов.

П

Рис. 1.3. Виды нагружения материалов

ри механических испытаниях используют такие вида нагружения материала как 1) одноосное растяжение, 2) всестороннее сжатие, 3) кручение, 4) изгиб, 5) сдвиг. Стрелками показаны направления действия сил. Механическое воздействие может быть длительным, кратковременным и мгновенным (удар). Кроме того, механическое нагружение может быть статическим, когда сила, действующая на материал не изменяется во времени (F=const) и динамическим при нарастающем усилии (F=f(t)). Все эти схемы нагружения используются при испытаниях твердых материалов.

2.1. Прочность

2.1.1.Кратковременная прочность при растяжении

F-растягивающее усилие, l ₀ - длина образца при F=0, l- длина образца при F>0, l=ll₀-абсолютная деформация (удлинение) образца, l/l₀=- относительная деформация, F/S=- растягивающее напряжение ПаS- площадь поперечного сечения образца.

_п - предел пропорциональности. На участке 0А (рис.1.4.) наблюдается прямая пропорциональность между  и  в соответствии с законом Гука: = E , где Е- модуль нормальной упругости (модуль Юнга). Эта деформация полностью обратима.

_0,2- условный предел текучести. На участке АВ начинают накапливаться остаточные необратимые деформации и в точке В они достигают 0,2%.

_т- предел текучести. На участке ВС интенсивно развиваются остаточные деформации.

_p- разрушающее напряжение. В точке D происходит нарушение целостности образца-его разрыв. _р- относительное удлинение при разрыве.

2.1.2. Динамическая прочность

Схема нагружения- удар по образцу материала бойком массой m , имеющим скорость V. Кинетическая энергия бойка E_k=mv²/2 ДжУдарная вязкость материала (а₀) определяет количество энергии, затраченное на разрушение образца, т.е. это работа разрушения материала. Размерность а₀ Дж/м²

2.2.Жесткость

Для изотропного материала x=y и, соответственно, =x/z=y/z-коэффициент Пуассона

E

Рис. 1.5. Схемы деформирования тел

= _z/(z/z) - модуль Юнга или модуль упругости при растяжении Па

К=_xyz/(xyz/xyz)- объёмный модуль упругости при всестороннем сжатии Па

G=_u/(u/u)- модуль сдвига Пагде _u=F/S, F- сдвигающая сила S- площадь сечения

Три модуля Е, К, G характеризуют жесткость материала. Они связаны между собой следующими зависимостями:

2G=E (1+), 3К=E (1-2)

2.3. Твердость

Т

Рис. 1.6.Схемы измерения адгезионной прочности. 1- нормальный отрыв 2- сдвиг 3- кручение

A=F/SH/м², где F- разрушающая сила S- площадь адгезионной связи

вердость  это способность материала противодействовать проникновению в него другого тела (индентора ) На практике используют несколько способов измерения твердости: твердость по Бринеллю – HB, твердость по Роквеллу – HR и твердость по Виккерсу – HV. Их определяют по глубине вдавливания индентора в материал. Часто для характеристики твердых веществ используют минералогическую шкалу (шкалу Мооса), в которой максимальный бал 10 соответствует самому твердому материалу – алмазу, а минимальный бал 1- самому мягкому минералу –тальку. Все остальные материалы по твердости располагаются между ними.

2.4.Трибологическе параметры. Специальные параметры для твердых материалов.

Трибология - это наука о физических эффектах, возникающих при трении материалов.

2.4.1. Коэффициент трения – f=F/N, где F -сила трения, N -нормальная нагрузка

Материалы с большим f азывают фрикционными. Материалы с низким f называют антифрикционными.

2.4.2. Интенсивность износа ( истирания ) - I = h/l, где h- толщина унесенного слоя, l- путь трения

2

Рис. 1.7.Схема измерения усилия отслаивания

А=F/h H/мгде F- сила отслаивания, h-ширина полоски отслаиваемой пленки.

.5. Адгезионные параметры Универсальный параметр

2.5.1. Работа сил адгезии Wa Дж/м²- рассчитывается.

2.5.2. Адгезионная прочность А – измеряется.

Существует несколько схем измерения адгезионной прочности. Они показаны на рис.1.6 и 1.7.

2.5.3. Характер разрушения адгезионного соединения

При нарушении целостности адгезионного соединения различают разрушение адгезионное, когда плоскость разрушения совпадает с плоскостью контакта двух тел, и когезионное, когда разрушение происходит по какому-то одному материалу (рис.1.8).

3.ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

3.1. Термическое расширение Универсальный параметр



Рис. 1.8. Схемы разрушения адгезионного соединения

_l - коэффициент линейного термического расширения Если при температуре Т₁ длина тела - l₁, а при T₂- l₂ , то l= l₂- l₁, T=T₂-T₁ _l = l/(l₁T) [К^-1]

_v- коэффициент объемного термического расширения: _v = V/(V₁T) [К^-1]

Для изотропных тел: _v=3_l

3.2. Теплоемкость Универсальный параметр

Теплоёмкость (С) - характеризует количество теплоты , которое необходимо подвести к материалу для увеличения его температуры на один градус.

[Дж/град] где С_p- изобарная теплоёмкость (при постоянном давлении ), С_v- изохорная теплоёмкость (при постоянном объеме), H- энтальпия или теплосодержание, U- внутренняя энергия.

На практике чаще используют удельную теплоёмкость, т.е. теплоёмкости единицы массы материалов

c_p= C_p /m; c_v= C_v/m [Дж/кггр]

3.3. Теплопроводность- [Вт/мК] Универсальный параметр

Теплопроводность характеризует скорость распространения тепловой энергии в материале. Q= - grad T, где Q- тепловой поток, T- температура , grad T- распределение температуры, - коэффициент теплопроводности

3.4. Температурапроводность -а [м²/c] Универсальный параметр

Температурапроводность характеризует скорость распространения температуры при стационарном тепловом потоке.

a = /(c_pd)

3.5. Теплостойкость материала Универсальный параметр

При нагревании материала в нем происходят определенные изменения. Если температура такова, что изделия из данного материала становятся неработоспособными, то значит теплостойкость материала не превышает данной температуры. Теплостойкостью называют способность материалов сохранять свои функциональные параметры при повышенных температурах. Измеряется в градусах по Цельсию.

3.6. Температура фазовых переходов

Это температура, при которой в материале происходят структурные изменения, приводящие к переходу его в другое фазовое состояние. Примерами таких температур могут служить: Т_пл.- температура плавления, Т_с- температура стеклования, Т_к- температура Кюри для магнитных материалов. Измеряется в [K] или [⁰C]. Соотношение температурных шкал по Кельвину и Цельсию выражается уравнением: ТК=Т⁰С+273.