книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С.А. Оглезнева
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 669:621.762 О-37
Рецензенты:
канд. техн. наук Н.А. Кичигина (ООО «ПермьНИПИнефть»);
д-р техн. наук, проф. С.Е. Порозова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Оглезнева, С.А.
О-37 Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов : учеб. пособие / С.А. Оглезнева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 307 с.
ISBN 978-5-398-00861-6
Рассмотрены вопросы формирования структуры, механизмов проявления функциональных свойств, технологии изготовления и применения некоторых групп современных и перспективных материалов.
Показаны условия работы погружного насоса и перспективные материалы для его изготовления. Представлены новые технологии изготовления наноматериалов, материалов из порошков и нанопорошков металлов, неметаллов, композитов. Описаны технологии нанесения покрытий и пленок, сверхтвердых материалов и инструментов из них. Рассмотрены «умные» металлические и композиционные функционально-градиентные материалы.
Предназначено для магистрантов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов», а также при изучении дисциплин по материаловедению, при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ. Может быть полезно специалистам в области металлических, керамических и композиционных материалов.
УДК 669:621.762
Издано в рамках программы опережающей профессиональной подготовки, ориентированной на инвестиционные проекты Фонда инфраструктурных и образовательных программ «Роснано» в области производства погружных электронасосов для нефтедобычи и их узлов с наноструктурными покрытиями.
ISBN 978-5-398-00861-6 |
© ПНИПУ, 2012 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................................................... |
6 |
Глава 1. ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ.... |
8 |
1.1. Научно-технический прогресс и требования |
|
к перспективным материалам.................................................. |
8 |
1.2. Материалы для современных погружных насосов......... |
14 |
1.3. Самоорганизация диссипативных структур.................... |
27 |
1.3.1. Термодинамика неравновесных (открытых) |
|
систем.................................................................................. |
30 |
1.3.2. Диссипативная самоорганизация |
|
(синергетический подход)................................................. |
32 |
1.3.3. Теория катастроф..................................................... |
36 |
1.4. Физико-химические принципы конструирования |
|
новых материалов..................................................................... |
38 |
Глава 2. ВИДЫ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ПРОБЛЕМЫ |
|
И ПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ......................................... |
48 |
2.1. Свойства наночастиц......................................................... |
48 |
2.2. Методы исследования наноматериалов........................... |
75 |
2.2.1. Оптические и нелинейно-оптические методы |
|
(от миллиметра до нанометра) ......................................... |
75 |
2.2.2. Использование электронных пучков |
|
для диагностики и микроанализа..................................... |
76 |
2.2.3. Сканирующая электронная микроскопия.............. |
86 |
2.3. Достижения, проблемы и перспективы |
|
нанотехнологии......................................................................... |
89 |
Глава 3. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ |
|
ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ПОРОШКОВ .............. |
93 |
3.1. Основные технологические операции порошковой |
|
металлургии............................................................................... |
93 |
3.1.1. Классификация методов производства |
|
металлических порошков.................................................. |
97 |
3.1.2. Формование порошков............................................ |
101 |
3.1.3. Спекание порошковой формовки............................. |
102 |
|
3 |
3.2. Технологии получения порошковых материалов........... |
110 |
3.3. Производство изделий из керамических порошков ...... |
124 |
3.4. Методы получения покрытий и пленок........................... |
133 |
3.4.1. Газотермическое напыление................................... |
134 |
3.4.2. Физические методы осаждения (PVD) .................. |
136 |
3.4.3. Эпитаксия................................................................. |
141 |
3.4.4. Химическое осаждение (CVD) ............................... |
143 |
3.4.5. Новые методы получения пленок.......................... |
147 |
Глава 4. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИИ |
|
ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОРИСТЫХ |
|
МАТЕРИАЛОВ........................................................................................ |
154 |
4.1. Классификация технологий изготовления пористых |
|
материалов................................................................................. |
154 |
4.1.1. Свойства и технологии получения |
|
металлических пен из расплавов и газовой фазы........... |
155 |
4.1.2. Получение металлических пен из порошков........ |
156 |
4.1.3. Получение проницаемых пористых материалов |
|
из порошков и волокон..................................................... |
159 |
4.1.4. Технология копирования матрицы........................ |
165 |
4.1.5. Производство керамических мембран................... |
166 |
4.1.6. Катализаторы на носителях ячеистой структуры.... |
168 |
4.2. Свойства пористых проницаемых материалов |
|
и методы определения.............................................................. |
171 |
4.3. Применение пористых материалов.................................. |
179 |
4.3.1. Применение пористых проницаемых |
|
материалов ......................................................................... |
179 |
4.3.2. Применение пористых непроницаемых |
|
материалов ......................................................................... |
181 |
Глава 5. СВЕРХТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ.......................................... |
188 |
5.1. Структура сверхтвердых материалов .............................. |
188 |
5.2. Свойства алмаза. История их открытий .......................... |
195 |
5.3. Синтез алмаза..................................................................... |
204 |
5.3.1. Опыт Муассана........................................................ |
204 |
5.3.2. Фазовые превращения графит–алмаз.................... |
208 |
5.3.3. Синтез алмаза при высоком статическом |
|
давлении и высокой температуре .................................... |
210 |
4 |
|
5.3.4. Современные способы синтеза алмазов................ |
217 |
5.4. Алмазные пленки............................................................... |
220 |
5.5. Нитрид углерода ................................................................ |
222 |
5.6. Нитрид бора........................................................................ |
224 |
5.7. Алмазный и абразивный инструмент............................... |
227 |
Глава 6. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ |
|
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ...... |
234 |
6.1. Стали с метастабильным аустенитом............................... |
234 |
6.1.1. Структура метастабильных аустенитных сталей ... |
234 |
6.1.2. Технология получения литых МАС....................... |
237 |
6.1.3. Технология получения порошковых МАС............ |
238 |
6.2. Интерметаллические материалы ...................................... |
252 |
6.2.1. Сплавы с памятью формы....................................... |
254 |
6.2.2. Применение сплавов с памятью формы................ |
261 |
6.2.3. Жаропрочные сплавы.............................................. |
265 |
6.2.4. Технологии получения интерметаллических |
|
сплавов................................................................................ |
269 |
6.3. Функционально-градиентные материалы........................ |
274 |
6.3.1. Объемные материалы и покрытия, однородные |
|
по химическому составу, но с изменяющейся макро- |
|
и микроструктурой............................................................ |
275 |
6.3.2. Объемные материалы с плавно меняющейся |
|
концентрацией компонентов............................................ |
279 |
6.3.3. Объемные слоистые материалы и покрытия |
|
с переменным химическим и/или фазовым составом |
|
на основе легированных сталей........................................ |
280 |
6.3.4. Получение слоистых ФГМ ..................................... |
281 |
6.3.5. Применение и перспективы слоистых |
|
композитов......................................................................... |
297 |
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................ |
302 |
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие науки и техники требует создания новых материалов с функциональными свойствами, существенно превосходящими свойства современных материалов, либо обладающих уникальными комплексами свойств, порой не сочетаемыми в существующих материалах. Данное учебное пособие не ставит целью охватить все новые материалы, но в нем рассмотрены основные сведения, касающиеся структуры, механизмов проявления функциональных свойств, технологии изготовления и применения группы перспективных материалов для магистрантов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов» по магистерской программе: «Наноструктурные материалы и покрытия в нефтедобывающем машиностроении».
Задачами перспективного материаловедения является не только изучение структуры и свойств материалов, но и прогнозирование свойств новых материалов, структуры которых можно будет составлять из необходимых фаз на основе принципов дизайна материалов. Эти вопросы, а также условия работы погружного насоса и перспективные материалы для его изготовления рассмотрены в главе 1.
С открытием свойств наночастиц наступила эпоха принципиально новых технологий и выявления принципиально новых свойств
вуже известных веществах, когда наночастицы неметаллов проявляют свойства проводимости, а покрытия из наночастиц становятся невидимыми. Свойства наночастиц и методы исследования наноматериалов рассмотрены в главе 2.
Порошковая металлургия и керамическая технология позволяют создавать новые материалы из порошков и нанопорошков металлов, неметаллов, композитов с уникальными свойствами. Технологиями нанесения покрытий и пленок получают слоистые и функцио- нально-градиентные материалы для узлов машин и электротехники. Эти перспективы технологии изготовления материалов, которые невозможно создать методами традиционной металлургии, описаны
вглаве 3.
6
Пористые металлические и керамические материалы все больше применяются в технике и быту в качестве фильтров, мембран, катализаторов, демпферов, шумо- и виброгасителей. Виды пористых материалов, их структуры, свойства и применение представлены в главе 4.
Сверхтвердые материалы в больших количествах используются для изготовления инструмента горнодобывающих машин, обработки строительных и машиностроительных материалов. Свойства сверхтвердых материалов, поучительная тысячелетняя история открытия этих свойств и первого синтеза искусственного алмаза, свидетельствующая о непростых путях исследователей, а также современные технологии изготовления сверхтвердых материалов и инструментов из них изложены в главе 5.
Из металлических сплавов наиболее интересными свойствами обладают «умные» материалы, в главе 6 рассмотрены метастабильные аустенитные, интерметаллические и жаропрочные сплавы, а также представлены «умные» металлические и композиционные функционально-градиентные материалы.
7
Глава 1 ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
1.1.Научно-технический прогресс и требования
кперспективным материалам
Материаловедение – наука о прочности и деформируемости материалов (словарь С.И. Ожегова, Н.Ю. Шведовой, 1949–1992 гг.).
Материаловедение – наука, изучающая металлические и неметаллические материалы, применяемые в технике, объективные зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации.
Учебная дисциплина «Материаловедение» – основная в общем цикле технических дисциплин при подготовке специалистов по многоуровневой образовательно-профессиональной структуре вузов.
Цель изучения дисциплины – познание природы и свойств материалов, а также методов их упрочнения для наиболее эффективного использования в технике.
Основная задача материаловедения – исследование и установление связей «состав – структура – свойства».
Еще в глубокой древности покупатели оценивали качество стали, например, по режущим свойствам, излому, по определенным узорам на поверхности (дамасская сталь). Эти данные были первыми сведениями, необходимыми для создания сплавов с более высоким уровнем свойств. Однако научно обоснованные испытания материалов начались после определенного развития самой механики и изучения механических свойств предположительно с 1850 г. Издревле металлурги интуитивно осознавали, что свойства металлических сплавов зависят не только от химического состава, но и в значительной степени от микро- и макроструктуры. В связи с этим уже с XVII в. предпринимаются попытки исследовать и описать структуру металлов с помощью увеличительных стекол и оптических микроскопов. Первые исследования в этом направлении предпринял известный
8
ученый Р. Гук, написавший монографию «Микрография». Таким образом, можно считать, что инкубационный период в развитии практической идеи закончился в 1665 г., когда был опубликован фундаментальный труд Агриколы «О металлах» и стали использоваться микроскопы для исследования материалов. Этот период и можно считать началом подлинной науки о металлах, ее использования в металлургии (рис. 1.1). Однако зарождение металлографии – науки о макро- и микроструктуре металлов и сплавов – произошло после опубликования работ П.П. Аносова (1831 г.) и Г. Сорби (1841 г.). Серьезным вкладом в развитие металлургии и науки о материалах явилось изобретение П.Г. Соболевским метода порошковой металлургии (см. рис. 1.1).
Рис. 1.1. Развитие науки о материалах (А.Д. Верхотуров, 2004)
Важным этапом науки о материалах в пределах практической идеи стало открытие и разработка Г. Розенбаума (1900 г.) диаграммы «железо–углерод». Также значительную роль в изучении состава и структуры металлов и сплавов сыграло открытие М. Лауэ (1912 г.) явления дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. В связи с этим расширились возможности наблюдения микроструктуры, что позволило изучать атомную, кристаллическую и электронную структуры.
На сегодняшний день задачи материаловедения требуют расширения и углубления, поэтому появился новый термин – материалогия – наука о материалах, основной задачей которой является получение материалов с заданными свойствами.
9
Материаловедение – составная часть материалогии (рис. 1.2). Однако, как показало время, термин «материалогия» в науке не прижился, но его сущность теперь вкладывают в понятие «материаловедение».
Рис. 1.2. Основные разделы материалогии
Материалы будущего, по прогнозам генерального директора ВИАМ академика РАН Е. Каблова, позволят создать уникальные аппараты:
•самолеты с крыльями, выращенными как кристаллы;
•танки с броней из сверхлегких сплавов алюминия;
•автомобили из пластмассы, впитывающей энергию из окружающей среды;
•трубопроводы, свитые из угольных волокон.
Уже в самом ближайшем будущем новые материалы, созданные для планеров, существенно улучшат их характеристики: снизят массу планера; повысят ресурс и т.п. (рис. 1.3 и 1.4).
Для государственной поддержки развития самых актуальных разработок периодически утверждаются Президентом РФ Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Например, перечень от 07 июля 2011 г. включает в себя следующие направления:
1)безопасность и противодействие терроризму;
2)индустрия наносистем;
10