Лекции по "Материаловедению"

По степени блеска различают блестящие и матовые  фактуры.

Рисунок – различные по форме, размерам, расположению, сочетанию, цвету линии, полосы, пятна и другие элементы на лицевой поверхности материала. Если упомянутые элементы создала природа, рисунок называют текстурой (например, текстура древесины, природного камня).

Стандартизация  и классификация материалов

Стандартизацией называется процесс установления и применения стандартов – комплекса нормативно-технических  требований, норм и Правил на продукцию массового применения, утвержденных в качестве обязательных для предприятий и организаций-изготовителей и потребителей указанной продукции.

В зависимости от среды  действия и уровня утверждения стандарты  в Российской Федерации подразделяют на различные категории.

В государственных стандартах (ГОСТах) приведены требования к свойствам  материалов, методам их испытаний, правилам приемки, транспортирования и хранения. ГОСТы обязательны для применения на всей территории России, имеют соответствующие  номера с Лазанием года утверждения (две цифры после тире), например ГОСТ862.1–85 «Штучный паркет».

Технические условия (ТУ) или временные  технические условия (ВТУ) содержат комплекс требований к показателям  качества, методам испытаний, правилам приемки к определенным видам материалов, которые не стандартизированы или ограниченно применяются. ТУ действуют в пределах ведомства, министерства.

Кроме стандартов, в строительстве  и производстве материалов действует  система нормативных документов – строительные нормы и правила (СНиП) – свод нормативных документов по проектированию, строительству и материалам, обязательных для всех организаций и предприятий. Требования, нормы и правила, содержащиеся в СНиПах, основаны на передовом опыте и в основном соответствуют современному уровню архитектурно-строительной науки и техники.

Сопоставление СНиП и  системы государственных стандартов показывает, что оба комплекса  нормативных документов имеют ряд  общих положений и различий. Например, ГОСТы разрабатываются преимущественно  на материалы и изделия массового изготовления, СНиПы устанавливают требования ко всей строительной продукции. В СНиПах отсутствуют методы определения показателей свойств материалов, для этого имеются соответствующие ссылки на действующие стандарты. В СНиПах содержатся почти все нормы строительного проектирования, между тем как стандартов на такие нормы нет. В результате оба комплекса нормативных документов по строительству - СНиП и ГОСТ -взаимно дополняют друг друга.

С 1 июля 2003 г. в России вступил в  действие закон о техническом регулировании. Согласно этому закону ГОСТы могут упраздняться, а государство будет обеспечивать лишь безопасность продукции для потребления и среды посредством принятия системы технических регламентов. Стандарты качества будут предлагать сами предприятия.

К методам стандартизации относятся унификация и типизация  материалов.

Под унификацией следует  понимать приведение различных видов  материалов к технически и экономически рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т. п. При этом, как правило, объединяются технические требования к нескольким материалам одинакового функционального назначения таким образом, чтобы была возможна замена одного материала другим без ухудшения качества строительного объекта. Например, в гражданском и промышленном строительстве России большая часть сборного железобетона приходится на унифицированные изделия. При разработке учитывалось, что их выпуск должен осуществляться в заводских условиях по рациональной технологии и обеспечивать определенные массу изделий, их размеры, форму, сечение и т. д. Унификация типоразмеров ряда отделочных материалов для облицовки позволяет производить замену одного материала другим без изменения проектной документации.

Типизация предполагает разработку типовых материалов или конструкций на основе общих технических характеристик.

В процессе проектирования следует иметь в виду, что конструктивные размеры материалов должны приниматься  с учетом величин швов и зазоров  при их монтаже, а также различных  видов примыкания и опирания, определяющих отклонения oт осевых размеров в ту или другую сторону. Например, обычный керамический кирпич – один из основных стеновых материалов имеет характерный размер 250x120x65 мм, но с учетом Швов толщиной 10 мм получается номинальный размер 260х 130x75 мм.

Типизация и унификация при массовом индустриальном строительстве  регламентируют строительные параметры  зданий, в том числе высотных. При согласовании архитектурной  формы с размерами типовых  строительных материалов и инженерного  оборудования архитектор пользуется пространственной сеткой с модульными ячейками. Кратность основных членений обусловливает использование цельночисленных отношений, что обогащает пропорциональный строй.

Важно понимать, что стандартизация непосредственно связана с процессом управления качеством материалов, а ее методы (унификация, типизация) не являются тормозом на творческом пути современного зодчего. Например, чем более жестки требования стандарта к количеству возможных дефектов внешнего вида отделочного материала, тем выше его качество. Большое значение унификации и типизации придавали зодчие еще в глубокой древности, создавая теоретические принципы античной модульной системы для каменных стоечно-балочных конструкций. Бесконечное разнообразие древнегреческого орнамента основано на использовании ограниченного количества типовых стандартных элементов. Неповторимые композиции и бесконечно многообразные формы храма Василия Блаженного в Москве связаны с применением только восемнадцати типоразмеров керамического кирпича. И в современном строительстве на разнообразные решения архитектурной формы не должно влиять ограниченное число типоразмеров применяемых материалов. Их унификация и типизация позволяют архитектору создавать разнообразные и оригинальные проекты отдельных зданий и целых ансамблей в условиях массового индустриального строительства.

 

Металлы

 

Металлы относятся  к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных  потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека, его быта, где металлы не играли бы существенной роли.

Чистые металлы  характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяются главным образом  их сплавы. Сплавы являются основными машиностроительными материалами. На их долю приходится примерно 95% от всех материалов, применяемых в технике. И, видимо, эта доля сохранится ещё долгое время.

С развитием  науки и техники расширяется  перечень используемых материалов. Наряду с традиционными материалами, обеспечивающими определенный комплекс механических и технологических свойств, в промышленности появились новые материалы, обладающие рядом особых свойств, требующихся в отдельных областях промышленного хозяйства.

Необходимость в новых материалах диктуется научно-техническим прогрессом, который выдвигает новые требования к их свойствам, вследствие постоянного повышения рабочих параметров машин и приборов.

Металлы – один из классов  конструкционных материалов, характеризующийся  определенным набором свойств:

• «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);
• пластичность;
• высокая теплопроводность;
• высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены  особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного  газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка.

Другими словами, кристаллическая  решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.

Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

·  размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.

·  углы между осями ( ).

·  координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.

·  базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.

·  плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74)

Рис.1.1. Схема кристаллической решетки

Классификация возможных видов  кристаллических решеток была проведена  французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел  существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;

·  примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

·  базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

·  объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

·  гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней

Рис. 1.2. Основные типы кристаллических решеток: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная 

 

Основными типами кристаллических  решеток являются:

1. Объемно - центрированная кубическая (ОЦК) (см. рис.1.2а), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре (V, W, Ti, )
2. Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (см. рис. 1.2б), атомы рассполагаются в вершинах куба и по центру куждой из 6 граней (Ag, Au, )
3. Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
• простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
• плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).

 

 

Аллотропия или полиморфные  превращения.

Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических  формах в зависимости от внешних  условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Каждый вид решетки представляет собой аллотропическое видоизменение или модификацию.

Примером  аллотропического видоизменения в  зависимости от температуры является железо (Fe).

Fe: – ОЦК - ;

– ГЦК - ;

– ОЦК - ; (высокотемпературное )

Превращение одной модификации в другую протекает  при постоянной температуре и  сопровождается тепловым эффектом. Видоизменения  элемента обозначается буквами греческого алфавита в виде индекса у основного  обозначения металла.

Примером  аллотропического видоизменения, обусловленного изменением давления, является углерод: при низких давлениях образуется графит, а при высоких – алмаз.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять  и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Магнитные превращения

Некоторые металлы намагничиваются  под действием магнитного поля. После  удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление  впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. К ферромагнетикам  относятся железо, кобальт, никель и некоторые другие металлы.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и  при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа – ). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками. Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

 

Из жидкого расплава можно вырастить  монокристалл. Их обычно используют в  лабораториях для изучения свойств  того или иного вещества.

Металлы и сплавы, полученные в  обычных условиях, состоят из большого количества кристаллов, то есть, имеют поликристаллическое строение. Эти кристаллы называются зернами. Они имеют неправильную форму и различно ориентированы в пространстве. Каждое зерно имеет свою ориентировку кристаллической решетки, отличную от ориентировки соседних зерен, вследствие чего свойства реальных металлов усредняются, и явления анизотропии не наблюдается

В кристаллической решетке реальных металлов имеются различные дефекты (несовершенства), которые нарушают связи между атомами и оказывают  влияние на свойства металлов. Различают следующие структурные несовершенства:

• точечные – малые во всех трех измерениях;
• линейные – малые в двух измерениях и сколь угодно протяженные в третьем;
• поверхностные – малые в одном измерении.

 

 

Точеные дефекты 

 

Одним из распространенных несовершенств кристаллического строения является наличие точечных дефектов: вакансий, дислоцированных атомов и примесей. (рис. 2.1.)