Лекции - Новые материалы

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и компьютеризации литейного производства

А.И.ТРОЦАН

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

курса «Новые материалы»

для студентов специальности 6.090400 – «Литейное производство

черных и цветных металлов» дневной и заочной форм обучения

Мариуполь ПГТУ 2008

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра технологии и компьютеризации литейного производства

А.И.ТРОЦАН

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

курса «Новые материалы»

для студентов специальности 6.090400 – «Литейное производство

черных и цветных металлов» дневной и заочной форм обучения

Утвержден

на заседании кафедры

протокол №___от _______2008 г

на заседании методсовета факультета

протокол №_____от__________2008г

Мариуполь ПГТУ 2008

УДК 669.621.785

Конспект курса «Новые материалы» для студентов специальности 6.090400 –

«Литейное производство черных и цветных металлов» дневной и заочной форм

обучения.

Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с

основными исследованиями и разработками относительно создания и получения новых

материалов с специальными свойствами, а также повышения свойств существующих

металлических материалов массового применения. Подаются знания для

самостоятельного выбора и применения современных технологий получения, исходя из

условий эксплуатации, необходимых металлических материалов и изготовления из них

литых заготовок.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. …………… ……………………………………… 5

1. ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ….. 13

2. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ ……………….. 21

3. ФУЛЛЕРЕНЫ И ФУЛЛЕРЕНОПОДОБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ…... 40

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ………………………………. . 45

5. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ….. 56

6. ЛИТЫЕ ПОРИСТЫЕ СПЛАВЫ………………………………………………. 76

7. УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ ЛИТЬЯ ВНЕШНИМ

ВОЗДЕЙСТВИЕМ ………………………………………………………… 90

8. СПЛАВЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ………………………………………… 95

9. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ………………………………………… 101

10. СТЕКЛА…………………………………………………………………… 108

11. ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ……………………………………………… 115

12. МАТЕРИАЛЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ………………………… 121

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА……………………………………… 123

ВВЕДЕНИЕ

Материально-технический прогресс человеческого общества связан с прогрессом

науки. По мере развития науки не только ускоряются темпы познания, но и

расширяются ее горизонты.

Материально-технический прогресс человечества во все эпохи определялся

созданием новых энергетических ресурсов (век пара, электричества, атомная энергия и

т.д.), новых технических материалов (каменный век, бронзовый век, век железа,

алюминия, синтетических материалов), новых методов воздействия на окружающий мир

(технология), обеспечивающих более высокую производительность труда. Известному

английскому физику Дж.Томсону принадлежат слова «В техническом прогрессе

участвуют три основных элемента – знание, энергия и материал». Любая техническая

проблема не может быть решена, если нет соответствующих для этого материалов. Без

них не было бы энергетики, связи, телевидения, транспорта, космонавтики и многого

другого, что нас окружает и к чему мы привыкли.

Развитие энергетики, строительства, сельского хозяйства, автоматики, всех видов

новой техники и техники вообще, здравоохранения, усовершенствования быта и

обеспечения питания человека в первую очередь требуют производства материалов,

веществ и препаратов с определенным комплексом механических, физических,

химических и биологических свойств. Превращение одних веществ (сырья,

полуфабрикатов) в другие, обладающие полезным и заданным комплексом свойств,

главная задача науки.

На протяжении всей истории человечества материалы неорганического

происхождения всегда играли очень важную роль. В течение многих тысячелетий

огромное значение имел необработанный и обработанный камень естественный. Из него

первобытный человек начал изготовлять орудия труда и строить жилища. Позднее

появился кирпич, керамика, стекло, вяжущие материалы, металлы. Открытие способа

производства портландцемента и изобретение железобетона явилось новой эпохой в

строительстве. Сейчас мы являемся свидетелями того, как в строительстве зданий и

сооружений применяется алюминий и стекло.

В истории материальной культуры большую роль играли металлы и другие

материалы. В последние десятилетия развиваются многочисленные органические

материалы, полимеры и др., без которых немыслима современная цивилизация.

Однако за те же десятилетия бурное развитие новой техники, особенно с

успехами физики, поставило перед неорганическими материалами совсем новые

исключительно ответственные требования в отношении механических, электрических

свойств и устойчивости к действию высоких температур и агрессивных сред. Прогресс

техники требует непрерывной работы по повышению прочности, жаропрочности,

жаростойкости и химической стойкости конструкционных материалов. В ряде областей

науки и техники осуществление разработанных там принципов, сулящих

революционизировать человеческую практику, упирается в отсутствие подходящих

материалов.

Главной проблемой, над решением которой работают сейчас ученые в области

материаловедения, является обеспечение устойчивой работы материалов при высоких

параметрах. Техника экстремальных параметров предъявляет к материалам

исключительно высокие требования.

Способность металлов к взаимному растворению, образованию многочисленных

соединений различного типа создает благоприятные условия для получения большого

числа сплавов, отличающихся различной структурой и самыми разнообразными

сочетаниями полезных свойств. Все это делает металлические сплавы важнейшими

материалами, значение которых непрерывно возрастает.

К числу важнейших металлов относятся: железо – главный материал

современной техники, основа всех видов стали и чугуна; алюминий и магний,

являющиеся главными компонентами легких сплавов и имеющих особое значение для

авиации; марганец, хром, никель, кобальт и др. как легирующие элементы в

производстве специальных сплавов и сталей; медь, свинец, цинк, олово, кадмий, сурьма,

имеющие разнообразное техническое применение; ванадий и вольфрам – основа

жаростойких материалов и твердых сплавов, значительная группа редких металлов

(гафний, ниобий, тантал, рений), а также драгоценные металлы – серебро, золото,

платина и др.

После второй мировой войны начало развиваться производство титана и его

сплавов как нового конструкционного материала, а также урана, тория, циркония,

молибдена, ниобия, тантала, бериллия, германия и др.редких металлов необходимых для

атомной, авиационной и электронной техники. Появились новые материалы – керметы и

новые металлокерамические методы их изготовления. Спеканием металлических

порошков с окислами, например металлического алюминия (САП), можно менять

материалы и технологию их изготовления.

Огромное значение для современной техники имеют различные неорганические

строительные материалы – цемент и изделия на его основе, керамика, стекло и прочие

силикатные материалы.

Самый универсальный материал для человека является стекло. Кажется, мы на

протяжении нескольких тысячелетий уже все о нем знаем. Однако современная наука

открывает все новые свойства и возможности использовать его. Сегодня увеличивают

его прочность и гибкость в несколько раз, делают стекло гибким материалом.

Созданные новые стеклокристаллические материалы получили название

силиталлов или стеклокерамов. Это материалы гетерогенной микрокристаллической

структуры, отличающиеся от исходных стекол более высокой ударной прочностью,

твердостью, сопротивлением сжатию и изгибу, а также жаропрочностью. Они

характеризуются малыми диэлектрическими потерями и обладают ценными свойствами,

которые можно менять в зависимости от химического состава и условий

кристаллизации.

Субмикроскопическая кристаллизация расплавленных металлургических шлаков

открывает возможность получения путем вытягивания, литья, горячей штамповки,

проката и другими методами стекольной техники стеклокристаллических материалов с

перспективой полного использования металлургических отходов и полной

механизацией и автоматизацией производства. Шлакосиликаты находят широкое

применение в строительстве и во многих случаях заменят чугун, сталь в

машиностроении, в производстве труб, сантехнических изделий и т. д.

Современная наука создала способы получения, а промышленность производить

и широко использует многочисленные керамические материалы, в том числе

строительную и электротехническую керамику, огнеупоры, сверхогнеупоры на основе

чистых окислов, синтетические камни вплоть до искусственных рубинов и сапфиров,

превосходящие по полезным свойствам естественные.

Большим успехом физики и химии является решение проблемы превращения

графита в алмаз, получение абразивных порошков, крупных кристаллов, пригодных для

использования в буровой технике и для других целей.

Большое развитие получила химия редких элементов и их комплексных

соединений. Возможности широкого варьирования характера химической связи в

соединениях редких металлов с неметаллами обеспечивают соответственные

возможности изменения физических и химических свойств этих соединений и

получения материалов с заранее заданными свойствами – электрофизическими,

магнитными, оптическими, механическими, огнеупорными, химическими для

различных областей новой техники.

Многие из редких элементов обладают высокой термической устойчивостью.

Так, например, гафний, ниобий, тантал, рений плавятся выше 2000-3000 С. Высокой

огнеупорностью обладают их оксиды, а карбиды некоторых из них имеют температуру

плавления до 4000

С и выше. Многое можно сказать об огнеупорных керамических

материалах, содержащих редкоземельные элементы, специальных жаростойких и

коррозионностойких сплавах с ниобием, танталом, рением и др. редкими элементами.

Редкоземельные элементы нашли широкое применение в качестве легирующих

добавок при производстве специальных сталей, повышающих их механические и

термические свойства.

Одна из основных задач материаловедения (базирующаяся на физике и химии )

состоит в том, чтобы найти зависимость свойств тел от их состава и строения. Среди

этих чрезвычайно многообразных свойств первое место занимают механические

характеристики тел. В самом деле, именно они непосредственно зависят от

взаиморасположения частиц ( атомов, ионов, молекул ), особенностей их теплового

движения и от сил, действующих между ними и связующих молекулы, атомы или ионы

в ту сторону, которая и образует данное тело. Вместе с тем именно механические

свойства – прочность, упругость, вязкость или, наоборот, обрабатываемость твердых

тел, податливость их по отношению к различным механическим воздействиям –

являются теми качествами, которые определяют поведение твердых тел как технических

материалов в деталях зданий, сооружений, машин, приборов, в изделиях бытового

назначения.

Неизмеримо актуально направление, которое нацелено на решение задач

активного вмешательства в производственно – технологические процессы

приготовления твердых тел и структурированных дисперсных систем со свойствами,

определяемыми заданной дисперсной структурой.

Такова, например, задача получения из давно известных веществ (например,

цемента, различных синтетических полимеров, металлов и сплавов) деталей для

строительства зданий, для новых конструкций машин, строительных и

конструкционных материалов с использованием всех качеств сырья, которые оно может

дать. Решение этой задачи дает возможность получить с наименьшим расходом сырья и

наибольшей производительностью материалы наивысшего качества, иначе говоря,

осуществить синтез уже не вещества, а твердого тела – носителя прочности, носителя

сложной совокупности механических свойств.

Под веществом понимают вид материи, который в отличие от поля, обладает

массой покоя; то, из чего состоит физическое тело, а материал – это вещество, идущее

на изготовление чего-нибудь.

Такой синтез тел, в дополнение к синтезу веществ – является важнейшей

проблемой науки. Перед наукой стоит задача синтеза новых веществ как сырья для

материалов и синтеза материалов. Если будут получены только новые вещества -

избыток сырья, но не будет оптимальных технологических процессов, позволяющих

переработать вещества в материалы, то будет решена только половина задачи.

Т. е. «активное» направление науки о материалах призвано изменить

представление о материаловедении как описательной науке. Разработка путей активного

вмешательства в структуру материалов уже давно вытесняет созерцательное

направление в материаловедении. Здесь больше всего сделано металлургами,

металловедами, специалистами по обработке металлов и сплавов. Хуже обстояло дело с

полимерами, так как путалось понятие «вещество» и «материал»; поскольку считали,

что если синтезировали ценное вещество, то значит, получили новый материал.

Важнейшая задача современной науки – обоснование оптимальной технологии

производства новых высокопрочных и долговечных дисперсных (мелкозернистых)

материалов различного назначения. Такая технология должна отвечать и требованиям

экономичности производства и высокому качеству продукции – конкурентно способная.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы

физики и химии, однако наука о материалах развивается в основном экспериментальным

путем. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и

физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию

материаловедения.

Электронная микроскопия тончайших металлических фольг и нейтронография

позволяют изучать элементы кристаллографической структуры, ее дефекты и

закономерности превращений под воздействием внешних факторов (температура,

давление и др.).

Изучение физических (плотность, электропроводность, теплопроводность,

магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость,

модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость

резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление, коррозия, изнашивания и

усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определять области

рационального использования различных материалов с учетом экономических

требований.

Для создания новых материалов привлекаются ученые разных специальностей –

физики, химики, механики, математики, материаловеды и др. В Украине, в частности, в

Национальной академии наук работают мощные институты в области физики, твердого

тела, металлофизики, механики и прочности материалов, физико-химической механики

материалов, сваривания, специальной электрометаллургии, порошковой металлургии,

технологии и техники высоких давлений, литейных технологий и в др. направлениях.

Ученые – материаловеды Украины достигли больших успехов в создании

конструкционных и функциональных материалов, новых процессов, технологий и

техники для производства таких материалов, изучения их эксплуатационных свойств в

заданных условиях и т.д.

В создании и развитии материаловедческого центра Украины особенная роль

принадлежит выдающемуся ученому и организатору науки Б.Е.Патону.

Большой вклад в развитие науки о материалах внесли русские и советские

ученые. П.П.Аносов (1799-1851 г.г.) впервые установил связь между строением стали и

ее свойствами. Д.К.Чернов (1839-1921 г.г.) открыл полиморфизм стали, всемирно

признан основоположником научного металловедения.

Большое значение в развитии методов физико-химического исследования и

классификации сложных фаз в металлических сплавах работы Н.С.Курнакова (1860-

1941 г.г.) и его учеников.

Разработка теории и технологии термической обработки стали связана с именами

С.С.Штейнберга (1872-1940 г.г.), Н.А.Минкевича (1883-1942 г.г. Исследованию

механизма и кинетики фазовых превращений в металлических сплавах посвящены

работы крупных советских ученых С.Т.Конобеевского, А.А.Байкова, Г.В.Курдюмова,

В.Д.Садовского, А.А.Бочвара, Н.В.Агеева и многих др.

Работы крупнейшего русского химика А.М.Бутлерова (1828-1886 г.г.),

создавшего теорию химического строения органических соединений, создали научную

основу для получения синтетических полимерных материалов. На основе работ

С.В.Лебедева впервые в мире было создано промышленное производство

синтетического каучука. Большое значение для развития полимерных материалов имели

структурные исследования В.А.Каргина и его учеников.

Среди зарубежных ученых большой вклад в изучение железоуглеродистых

сплавов внесли А.Ле-Шателье (Франция), В.Аустен (Англия), Ф.Осмонд (Франция) и др.

Важнейшие рентгеноструктурные исследования сплавов провели М.Лауэ;

П.Дебай (Германия), У.Г.Брэгг и У.Д.Брэгг (Англия); Бейна, Мейла (США), Циглер

(ФРГ), Натта (Италия).

Традиционное управление свойствами материалов базируется на триаде Н.С.

Курнакова: состав – структура - свойства. Сегодня к этой триаде «С» можно добавить

еще одно «с» - способ синтеза (или воздействие). Таким образом, заданные свойства

материала можно получить, взяв определенный состав компонентов, выбрав способ

синтеза материалов (т. е. технологию его получения), позволяющей создать такую

структуру, которая обеспечит требуемые свойства. В этой цепочке структура материала

играет одну из важнейших ролей. Поэтому оптимизация технологии получения и

обработки материалов сводится к созданию условий формирования заданной структуры

материалов на различных уровнях.

Структура (лат. struktura – строение, расположение) – это определенная

взаимосвязь, взаиморасположение составных частей; строение. При этом структуру

материала следует рассматривать как сложную систему, состоящую из иерархии

подсистем или уровней.

Рассмотрим отдельные уровни структуры, элементы которых различаются по

природе, механизмам формирования и размерам.

Макроструктура – это строение материала, видимое невооруженным глазом или с

помощью лупы, т.е. при увеличениях до 25 раз. Основными элементами этого уровня

структуры являются зерна первичной кристаллизации (для кристаллических твердых

тел), нарушение сплошности (раковины, рыхлости, газовые пузыри, расслоение,

трещины и т.д.). Размер таких элементов 10

-1

- 5⋅10

-3

м. Средствами воздействия на

макроструктуру служат регулирование технологических параметров (скорости

охлаждения, давления и т.д.), обработка давлением, модифицирование и т.п. Изучение

макро структуры позволяет сделать заключение о правильности ведения

технологического процесса.

Микроструктура – это строение материла, выявляемое с помощью микроскопа

(светового или электронного ). Основными элементами микроструктуры являются

кристаллиты (зерна вторичной кристаллизации для металлических материалов), их

размер - 5⋅10

-3

– 10

-5

м. Форма, размеры и взаимное расположение кристаллитов, а также

их ориентировка зависят от условий их образования. От микроструктуры зависят

многие механические и физические свойства материалов.

Субструктура материалов – это внутреннее строение кристаллитов (зерен).

Кристаллиты (зерна) состоят из блоков (субзерен), развернутых друг относительно друга

на углы порядка минут. Эти блоки разделены субграницами. Важными

характеристиками субструктуры являются форма и размеры субзерен и их угловая

разориентировка, а также протяженность субграниц. В субзернах имеются дислокации,

образующие скопления либо расположенные беспорядочно. Основными элементами

субструктуры, размер которых 10

-5

– 10

-8

м., являются блоки, разграничиваемые

скоплениями дислокаций, мелкие выделения, возникающие в процессе той или иной

обработки материала. Субструктура изучается с помощью электронной микроскопии и

рентгенографии.

Атомная структура – конкретное расположение атомов, входящих в состав данного

материала, в пространстве. Элементами атомного уровня структуры являются атомы, их

размер – 10

-10

– 10

-13

м. Атомная структура изучается с помощью рентгено-, электроно- и

нейтронографии.

Под мезоструктурой понимают структурные образования, промежуточного

масштаба между микроструктурой и атомной структурой. Если рассматривать твердое

тело в мезоскопическом аспекте, то в нем обнаруживается существование дисперсных

участков или зон тонкой неоднородности. Эти неоднородности образованы атомными

группировками, более или менее отличными от матрицы, как по пространственному

расположению, так и по составу атомов. Они обладают определенной автономностью по

отношению к окружающей их основной кристаллической среде (матрице), но не

отделены от нее четко выраженными границами. Наличие таких неоднородностей

обусловливает неравномерное распределение механических напряжений. Элементами

мезоструктуры являются атомно-кристаллические ячейки, атомные группировки,

дислокации в твердом теле. Размер этих элементов – 10

-8

- 10

-10

м. Методы их изучения

– рентгенография и электронная микроскопия высокого разрешения, оже-

спектроскопия.

Таким образом, структура материала представляет собой иерархическую систему,

разделяющуюся на пять подсистем – уровней: макро-, микро-, суб-, мезо- и атомный. На

каждый из этих уровней можно воздействовать, например, легированием.

Суб-, мезо- и атомный уровень структуры объединяются одним понятием тонкая

структура. Следовательно, говоря о тонкой структуре материала, мы имеем в виду

размер, форму и распределение субзерен- блоков мозаики, величину и распределение

микроискажений, плотность и распределение дислокаций, выделения и т. п.

Информацию о тонкой структуре материалов можно получать с помощью

дифракционных методов.

В последние десятилетия структурное состояние конденсированных сред

пополнилось новым понятием – фрактальная структура или фрактал. Фрактальная

структура – это расползающаяся, разреженная структура, которая имеет повторяющиеся

на разных уровнях одинаковые элементы. Фракталы напоминают узоры из снежинок.

Сходство со снежинками объясняется их повторяющимся узором в различных

(метровом, миллиметровом, микронном и т. д.) масштабах. Фрактальные структуры

формируются в результате протекания неравновесных термодинамических процессов.

Такие структуры склонны к самоорганизации. Движущей силой самоорганизации

является стремление к снижению энергии. Отличительным свойством фрактальных

структур является уменьшение по мере роста средней плотности вещества в

формирующемся объёме с сохранением свойств самоподобия (масштабной

инвариантности).

При рассмотрении фрактальных структур невозможно использовать классические

представления, разработанные для кристаллических твердых тел. Фрактальные системы

в большинстве своем являются неупорядоченными. Примерами таких систем могут

служить агрегаты, образующиеся в неравновесных условиях, при слипании движущихся

по определенному закону частиц, дислокационные структуры, образующиеся при

пластической деформации материала вблизи точки фазового перехода I рода.

Развитие физического материаловедения в последние два десятилетия привело к

формированию нового подхода к управлению свойствами материалов путем управления

фрактальной мезоструктурой. Новый подход связывает свойства материалов не с

исходной микроструктурой, а с динамической мезоструктурой, самоорганизующейся в

неравновесных условиях. Неравновесная система способна к самовыбору оптимальной

фрактальной структуры, необходимой для дальнейшего функционирования системы как

целого. Использование теории фрактала даёт возможность устанавливать связь между

процессами, протекающими на различных масштабных уровнях (микро-, мезо-, макро-).

Сейчас одно из перспективных научных направлений в области физического

материаловедения связано с созданием кластерных материалов, т. е. материалов,

структура которых состоит из фрагментов (кластеров), содержащих 10

… 10

атомов.

Размер этих фрагментов порядка 1…10 нм. Отличительные особенности кластерного

состояния вещества обусловлены тем, что доля поверхностных атомов фрагмента

(кластера) соизмерима с количеством атомов в его объёме. В кластерном состоянии

могут находиться металлы, сплавы, бориды, карбиды, нитриды и др. Кластерные

соединения присутствуют в парах многих веществ, существуют в жидкостях и в твёрдой

фазе материалов, придавая им уникальные физико-химические свойства, которые имеют