ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

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.