ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» Согласовано Утверждаю Руководитель ООП по специальности 261400 декан МФ проф. Е.И. Пряхин Зав. кафедрой МиТХИ проф. Е.И. Пряхин ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «Общее материаловедение и технологии материалов» (наименование по рабочему учебному плану) Направление подготовки: 150100 - Материаловедение и технология материалов Профиль подготовки: Материаловедение и технология новых материалов Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная Составитель: профессор САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012 Е.И. Пряхин Составитель: Научный редактор: профессор Е.И.Пряхин Цели и задачи дисциплины Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные закономерности зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации Учебная дисциплина “Материаловедение” - одна из основных технических дисциплин при подготовке специалистов технического профиля. ЦЕЛЬ изучения - познание природы и свойств материалов, а также методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ дисциплины. Знать физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства и эксплуатации и показать их влияние на структуру и свойства материалов. Установить зависимость между составом, строением и свойствами материалов, изучить теорию и практику различных способов упрочнения материалов, обеспечивающих высокую надежность и долговечность деталей машин, инструмента и других изделий. Изучить основные группы металлических и неметаллических материалов, их свойств и область применения. Требования к уровню освоения содержания дисциплины В результате изучения дисциплины студент должен: ЗНАТЬ физическую сущность явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации изделий из них под воздействием внешних факторов (нагрева, охлаждения, давления, облучения и т. п.), их влияние на структуру, а структуры – на свойства современных металлических и неметаллических материалов и способы получения их заданного уровня. УМЕТЬ оценивать и прогнозировать поведение материала и причин отказов деталей и инструментов под воздействием на них различных эксплуатационных факторов; в результате анализа условий эксплуатации и производства обоснованно и правильно выбирать материал, назначать обработку в целях получения заданной структуры и свойств, обеспечивающих высокую надежность изделий. ИМЕТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ о перспективах развития материаловедения как науки. Содержание дисциплины Теория сплавов: виды фаз, их строение и свойства; кристаллизация жидких растворов; критический зародыш; кинетика кристаллизации; кристаллизация эвтектических и других двухфазных сплавов; принцип структурного и размерного соответствия; вторичная кристаллизация; направленная кристаллизация; выращивание монокристаллов; диаграммы состояния двойных систем; фазовые и структурные переходы в сплавах железо-углерод; диаграммы состояния тройных систем; неравновесная кристаллизация; ликвация; образование псевдоэвтектик, метастабильных фаз и аморфного состояния; термодинамика и кинетика мартенситного превращения. Строение неметаллических материалов: строение полимеров; фазовые переходы в полимерах, надмолекулярные структуры; релаксационные процессы и явления; виды физических состояний полимеров; механизмы старения полимеров; теория пластификации; фазовые равновесия в смесях полимеров; неорганические стекла; структура ситаллов; структура керамических материалов. Рабочая программа Введение [2], с. 8...9; [3], с. 13...20 Предмет теории строения материалов и его место в подготовке инженеров специальности 1208. Значение науки для металлургической, машиностроительной и других отраслей промышленности; роль отечественных и зарубежных ученых в ее становлении и развитии. Физико-химические основы материаловедения Термодинамический анализ материаловедческих проблем [1], с. 55..76, 96...131,158...190 Термодинамическая теория равновесия. Фазовые превращения. Правило фаз Гиббса. Фазовые превращения I и II рода. Фазовые диаграммы; характерные точки и линии диаграмм. Понятие о диаграммах состояния двухкомпонентных систем. Основы физико-химического анализа. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса. Термодинамика структурных переходов в сверхпроводниках, ферромагнетиках, сегнетоэлектриках, жидких кристаллах. Термодинамическая трактовка деформирования материалов (процессы сжатия, растяжения, сдвига). Термодинамика растворов. Растворы электролитов. Растворы полимеров. Химическая кинетика в анализе свойств материалов [1],с. 416...450,467...507 Теория физико-химического равновесия. Закон действия масс. Концепция активированного процесса. Законы смещения физико-химического равновесия. Катализаторы химических процессов и фазовых переходов. Физикохимия поверхностных явлений [1],c.378...414 Термодинамика поверхностных явлений. Структура поверхности. Адсорбция. Уравнение Ленгмгора, БЭТ. Смачивание. Поверхностно-активные вещества. Адгезия. Эффект Ребиндера. Диффузия в материалах [3],с. 157...159, [6], с. 43...73 Феноменологическая теория диффузии. Уравнения диффузии. Методы определения коэффициентов диффузии. Возможные механизмы самодиффузии и гетеродиффузии в материалах. Основные факторы, влияющие на коэффициент диффузии. Теория сплавов Строение твердых фаз в металлических сплавах [3],с 144...150; [6], с. 3...43 Основные понятия: система, сплав, компонент, фаза, структура. Монокристаллы и поликристаллы. Условия образования твердых фаз. Твердые растворы. Взаимная растворимость компонентов в твердом состоянии. Кристаллическая структура и типы твердых растворов. Твердые рас- творы замещения. Условия неограниченной растворимости компонентов и факторы, определяющие предел растворимости в твердом состоянии. Твердые растворы внедрения. Твердые растворы вычитания. Энергия смешения твердых растворов, условия возникновения упорядочения или расслоения. Ближний и дальний порядок и их параметры. Промежуточные фазы (интерметаллиды) в металлических сплавах: соединения с нормальной валентностью; соединения, определяемые размерным фактором; электронные соединения. Фазы внедрения, их составы. Подрешетки металлических атомов в фазах внедрения. Специфические свойства интерметаллидов и фаз внедрения. Кристаллизация расплавов [3], с. 40. ..47, или [7], с. 68...80 Особенности строения жидких сплавов. Термодинамика процесса кристаллизации. Кривая охлаждения. Скрытая теплота кристаллизации. Механизм процесса кристаллизации. Самопроизвольное (гомогенное) образование зародышей кристаллизации и их рост. Зависимость параметров процесса кристаллизации (скорости образования зародышей и линейной скорости кристаллизации) от степени переохлаждения. Кинетика процесса кристаллизации. Несамопроизвольное (гетерогенное) образование зародышей. Принцип структурного и размерного соответствия. Эвтектическая кристаллизация. Влияние степени переохлаждения, примесей и модификаторов на процесс кристаллизации, на размер и форму кристаллов затвердевшего сплава. Строение реальных металлических отливок. Направленная кристаллизация. Выращивание монокристаллов из расплавов. Наклеп и рекристаллизация [3], с. 48...51, 60...68, или [7], с. 122...140 Упругая и пластическая деформация металлов; механизмы пластической деформации. Деформационное упрочнение и его причины. Сверхпластичность металлов. Процессы, происходящие при отжиге деформированных металлов. Разновидности рекристаллизации; диаграммы рекристаллизации. Холодная и горячая пластическая деформация. Диаграммы состояния двойных систем [3],с. 150...151, 168...186,189...190, или [7],с.87...98 Практическое значение диаграмм состояния (диаграмм фазового равновесия). Правило фаз и его роль при построении и изучении диаграмм состояния. Основные представления о графическом методе термодинамики и применении его к диаграммам состояния. Способы построения диаграмм состояния. Важнейшие диаграммы состояния двойных сплавов. Диаграммы состояния при неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Определение относительного содержания фаз при помощи правила отрезков. Ликвация в сплавах и ее разновидности (дендритная, зональная, по плотности). Диаграммы состояния при ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии. Эвтектическое и перитектическое превращения. Эвтектика как структурная составляющая, условия ее образования. Особенности перитектического превращения. Полная нерастворимость компонентов в твердом состоянии как предельный случай ограниченной растворимости. Диаграммы состояния с образованием химических соединений или иных промежуточных фаз. Случаи образования устойчивых и неустойчивых химических соединений. Вид диаграмм состояния при ограниченной сплавляемости компонентов в жидком состоянии. Монотектическая и синтектическая реакции. Диаграммы состояния сплавов с фазовыми превращениями в твердом состоянии. Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии. Образование вторичных кристаллов. Эвтектоидное и перитектоидное превращения. Упорядочение и магнитное превращение в сплавах. Изменение структуры сплавов при изменении состава. Определение относительного количества структурных составляющих. Диаграммы состояния тройных систем [3], с. 190... 194, или [7], с. 117...121 Основные представления о диаграммах состояния тройных сплавов и способах их построения. Концентрационный треугольник и его свойства. Тройная система с неограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии и тройная эвтектическая система с полной нерастворимостью и ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Методы плоскостного изображения тройных диаграмм состояния — горизонтальные (изотермические) и вертикальные (псевдобинарные) разрезы. Структуры, формирующиеся при неравновесной кристаллизации расплавов [3], с. 186...189, или [7], с. 80...82 Кристаллизация сплавов в неравновесных условиях. Равновесный и неравновесный солидус. Неравновесная кристаллизация сплавов внеэвтектического состава. Образование псевдоэвтектики. Сверхбыстрая кристаллизация сплавов. Образование метастабильных фаз при кристаллизации. Аморфизация металлических сплавов. Особенности структуры и свойств аморфных сплавов (металлических стекол). Превращения в металлических сплавах в твердом состоянии [7], с. 157...162 Термодинамика и кинетика полиморфных превращений. Нормальный и мартенситный механизмы полиморфных превращений, условия их реализации. Понятия о когерентных и некогерентных межфазных границах. Образование пересыщенных твердых растворов и их распад. Образование псевдоэвтектоида и мартенситных фаз в сплавах с полиморфными превращениями. Диаграммы состояния и структура сплавов железа с углеродом [3],с. 194...210,224...233,249...254, или [7], с. 99...110, 165... 174, 175,291...302 Свойства железа и углерода. Полиморфные превращения в железе. Харак- теристика твердых фаз, присутствующих в железоуглеродистых сплавах в равновесном состоянии, - феррита, аустенита, цементита, графита. Диаграммы состояния железо—цементит (метастабильная) и железо— графит (стабильная). Условия кристаллизации сплавов при метастабильном и стабильном равновесиях. Кристаллизация и превращения в твердом состоянии в железоуглеродистых сплавах различного состава. Техническое железо и его структурные особенности. Стали, белые и серые чугуны. Основная структурная особенность сталей. Условия кристаллизации перлита. Характеристика структуры доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей. Условия образования видманштеттовой структуры в сталях. Основная структурная особенность белых чугунов. Условия кристаллизации ледебурита. Характеристика структуры доэвтектического, эвтектического и заэвтектического белых чугунов. Структурные особенности серых чугунов. Механизм зарождения и роста графита. Неравновесные структуры, образующиеся при распаде переохлажденного аустенита (бейнит и мартенсит). Перечень тем лабораторных занятий 1.Изучение структуры металлов и сплавов методом макроскопического и микроскопического анализа .................................................. ………………………2 часа 2.Диаграммы состояний и структуры двойных сплавов………………. -"- 3.Влияние холодной пластической деформации и последующего нагрева на структуру и свойства сплавов……………………………… . . . . . . . . . . . . . . 4 часа 4.Структура и свойства углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии…………………………………………… . . . . . . . . - " 5.Структура и свойства серых чугунов ........................ ……....……...………- " - БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1.Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. — М.: Металлургия, 1987. 2.Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. —М.: Металлургия, 1990. 3.Солнцев Ю.П., Пряхин Б.И., Войткун Ф. Материаловедение. — СПб.: Химиздат, 2002. Дополнительный: 4. Шаскольская М.П. Кристаллография. — М.: Высш. школа, 1984. 5.ШтремельМ.А. Прочность сплавов. 4.1. Дефекты решетки.—М.: Металлургия, 1982. 6.Актавина Г.В., Барсуков В.Н. Строение твердых фаз и диффузия в металлических сплавах: Учеб. пособие. — Л.: СЗПИ, 1981. 7.Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. —М.: Изд-во МГТУ, 2002. 8.Уайэтт О., Дью-Хьюз Д. Металлы, керамики, полимеры /Пер. с англ. — М.: Атомиздат, 1979. _____________________________________________________________________________ Разработчики: кафедра МиТХИ старший преподаватель Пряхин Е.И.