План-конспект урока Предмет материаловедения

План – конспект урока

по ОП.01  Материаловедение.

Раздел 1. Основы материаловедения

Тема 1.1. Основные сведения о строении, свойствах и методах испытаний металлов

Тема урока:  Предмет материаловедения

Цель урока: познакомить обучающихся с основными сведениями о строении, свойствах и методах испытаний металлов.

1. История материаловедения.

2. Тенденции и перспективы развития материаловедения.            

             1. Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.

Материалы — это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные вещества для проведения производственных процессов. Различают следующие разновидности материалов:

— сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);

— полуфабрикат — переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки, для того чтобы стать изделием, годным к потреблению.

Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого. Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении. Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметаллических материалов, горюче-смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей, применяемых в конструкциях автомобилей и необходимых для их эксплуатации и ремонта, рассматривает материаловедение.

Материаловедение — наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т. д.).

Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.

Из истории материаловедения. Долгое время в технической практике люди использовали готовые природные материалы, совершенствовали их, создавали новые технологии производства и обработки. Вся история существования человечества связана с освоением материалов: каменный век сменился медно-каменным, а затем бронзовым и железным веками.

Изготовив первые орудия труда из камня и кости, человек стал обрабатывать древесину, шкуры, освоил обжиг глины. Следующим этапом освоения материалов стало плавление и литье меди, затем открытие оловянной бронзы и освоение железа. Совершенствовалась технология переплавки металлических руд, прокаливанием и ковкой полуфабрикатов стали получать кузнечное железо. Новую эпоху в развитии материалов открыло использование энергии падающей воды для привода машин. Появилась возможность нагревать металл до температур, превышающих температуру плавления железа, перерабатывать расплав в ковкое железо, очищать металлы от примесей. Эти достижения в области производства материалов определяли уровень технического развития на - протяжении многих веков.

Применение каменного угля вместо древесного в качестве топлива при плавлении руд и открытие коксования каменного угля способствовало ускоренному развитию металлургии. Возрастание спроса на машины привело к возникновению машиностроения как отрасли промышленности. В то время мануфактурным производством была освоена лишь немногочисленная группа материалов, что ограничивало возможности развития машин. Превращение ручных мануфактур в фабричную систему использования машин привело к изменению уровня техники и технологии материалов. Расплавленный чугун был впервые превращен в сталь. Были изобретены три процесса производства стали, названных по имени их создателей, — бессемеровский, мартеновский, томасовский.

Рост промышленности требовал больших объемов материалов. В связи с этим возникла необходимость научных обобщений и рекомендаций. Начиная с XIX века, материаловедение стало прикладной наукой. Научные исследования и открытия в области химии и металловедения способствовали развитию металлургического производства, созданию новых сплавов и методов их обработки. После открытия бензола началось развитие новой отрасли промышленности, вырабатывавшей красители, медикаменты и множество синтетических машиностроительных материалов. На основе теории химического строения вещества разработаны и получены полимеры. Новый материал бакелит стал первым продуктом промышленности пластических масс. В XX веке разрабатываются и бурно развиваются новые технологические процессы: непрерывная разливка стали и кислородно-конвертерный процесс, электрометаллургия стали и ферросплавов; вакуумная металлургия; электросварка; термомеханическая обработка металлов и многие другие.

Благодаря фундаментальным исследованиям в области металловедения быстро растет число сплавов, обладающих специфическими свойствами: противокоррозионными, жаростойкими и жаропрочными, особыми магнитными, «памятью» механической формы и т. д.; создаются новые типы материалов: сверхпроводники, полупроводники и др. Развиваются исследования в области синтеза и переработки полимеров, направленные на улучшение их механических свойств, повышение стойкости к воздействию сред и высоких температур. Одним из направлений материаловедения стало получение композиционных материалов путем сочетания разнородных компонентов. Развитие технологий обработки и модификации материалов позволило применить традиционные материалы в жестких условиях эксплуатации современной техники.

Тенденции и перспективы развития материаловедения. При создании новых изделий всегда ставится цель повышения эффективности и качества известных, существующих изделий: увеличение рабочих давлений, скорости и температуры, снижение массы изделий, приходящейся на единицу создаваемой или передаваемой мощности. В лучших образцах техники реализуются последние достижения науки. Работоспособность машин тесно связано с достижениями материаловедения.

Развитие многих областей современной техники связано с применением высокопрочных материалов. В XX веке прочность основных машиностроительных материалов возросла в 8—10 раз, напряжения, при которых происходит разрушение высокопрочных сталей, превышают 103 МПа. Перед наукой стоит проблема сделать высокопрочные материалы такими же надежными и недорогими, как рядовые материалы.

Тенденция машиностроения к уменьшению эффективной массы изделий, т. е. массы, приходящейся на единицу мощности или производительности машин, обусловливает необходимость разработки материалов, в которых высокая прочность сочетается с малой плотностью. Примером таких материалов служат сплавы магния и лития, изделия из которых по сопротивлению деформированию превосходят конструкции той же массы из стали и титана. В качестве легких заполнителей силовых конструкций, демпфирующих, тепло- и звукоизолирующих элементов в современной технике используют большую группу газонаполненных материалов.

Низкие значения прочности стали при высоких температурах были барьером для дальнейшего развития двигателестроения. В настоящее время эта проблема решена путем переработки металлов в гранулы методом высокоскоростной кристаллизации и последующего прессования гранул в изделия. Высокоскоростная кристаллизация происходит в результате быстрого охлаждения расплава, приводящего к образованию микрокристаллов исключительно малых размеров или даже аморфных материалов. При высоких температурах прочность мелкокристаллических и аморфных сплавов в 1,5 раза выше, чем сплавов, полученных по традиционной технологии.

Изучаются перспективы использования керамических деталей в двигателях внутреннего сгорания. Целью такого применения керамики является возможность повышения рабочей температуры в камере сгорания при одновременном снижении массы агрегата, что приводит к повышению коэффициента полезного действия двигателя. Ужесточение технико-экономических требований к материалам и ограниченность сырьевых ресурсов обусловили рост потребления традиционных материалов на новом технологическом уровне — в сочетании с усиливающими их элементами из более прочных материалов. Такие материалы получили название композиционных. Использование их способствует повышению работоспособности техники, снижению себестоимости продукции, организации гибких производств. Но производство некоторых из этих материалов связано с опасностью для здоровья людей на рабочих местах, создает дополнительные проблемы защиты окружающей среды. Поэтому важной задачей является разработка мероприятий, которые позволят извлечь максимальную выгоду из этого направления материаловедения. Актуальной остается проблема защиты материалов от химического взаимодействия с окружающей средой. Рост агрессивности окружающей среды приводит к увеличению затрат на ликвидацию последствий изнашивания материалов в машинах. Для принятия мер по стабилизации свойств материалов, для прогнозирования работоспособности механизмов и машин необходимо знать закономерности строения материалов, т. е. происходящие во времени изменения их структуры и свойств.

Задача материаловедения — установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования их срока службы.

Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Оно базируется на достижениях естественных наук (физики, химии, механики и др.), от развития которых зависят использование материалов в технике и эффективность методов переработки их в изделия.

Задача прикладного материаловедения — определить оптимальные структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкций, деталей машин и других технических изделий.         

Вопросы для закрепления:

1. Перечислите разновидности материалов?

2. Назовите процессы производства стали?

Преподаватель:                                         Денисов В.Г.

Дата проведения: 12.09.2023

Скачано с www.znanio.ru