engineering

Учебник Материаловедение для начинающих

28 уроков · 8 разделов · бесплатно, без регистрации

Начать с первого урока

Материаловедение объясняет, почему металл гнётся, а керамика крошится, почему закалённая сталь твёрдая, а отожжённая мягкая, и как из доли углерода в десятые проценты рождаются совершенно разные свойства. Этот курс ведёт вас от атомных связей и кристаллической решётки к диаграммам состояния, термической обработке, цветным сплавам, композитам и коррозии. Каждый урок соединяет формулу с короткой симуляцией на стандартном Python (модуль math): мы считаем коэффициент упаковки решётки, доли фаз по правилу рычага, скорость диффузии по закону Фика и модуль композита по правилу смесей — и тут же проверяем результат числом. Курс рассчитан на студентов-инженеров, технологов и всех, кто хочет понимать материалы не как чёрный ящик, а как систему с предсказуемым поведением.

Курс «Материаловедение: от атома до конструкции» состоит из 8 разделов и 28 уроков: Строение вещества, Механические свойства, Диаграммы состояния, Стали и чугуны, Термическая обработка, Цветные сплавы и неметаллы, Композиты и Коррозия, диффузия и выбор материала. Уроки идут по порядку — от основ к более сложным темам, в каждом есть объяснение с примерами, а в конце — вопросы для самопроверки. К урокам привязаны задачи с автоматической проверкой: прочитали тему — сразу закрепили её кодом.

Программа курса

  1. 1 Строение вещества

    1. Типы химической связи и свойства материалов

      Ионная, ковалентная, металлическая и ван-дер-ваальсова связь — как тип связи определяет прочность, тепло- и электропроводность материала.

    2. Кристаллические решётки: ОЦК, ГЦК, ГПУ

      Объёмноцентрированная, гранецентрированная и гексагональная плотноупакованная решётки: параметры ячейки, число атомов и координационное число.

    3. Коэффициент упаковки атомов

      Расчёт коэффициента компактности (APF) для ОЦК, ГЦК и ГПУ: какая доля объёма ячейки занята атомами и почему плотнейшая упаковка даёт 0,74.

    4. Дефекты кристаллического строения

      Точечные, линейные и поверхностные дефекты решётки: вакансии, дислокации, границы зёрен — почему именно дефекты дают металлу пластичность.

  2. 2 Механические свойства

    1. Напряжение, деформация и закон Гука

      Механическое напряжение, относительная деформация, модуль Юнга и закон Гука — основа расчёта упругих конструкций.

    2. Диаграмма растяжения: прочность и пластичность

      Предел текучести, предел прочности, относительное удлинение и сужение — что показывает кривая растяжения и как читать характеристики материала.

    3. Твёрдость и её измерение

      Методы Бринелля, Роквелла и Виккерса: что такое твёрдость, как её измеряют и почему она связана с пределом прочности.

    4. Вязкость разрушения и усталость

      Трещиностойкость, критический размер трещины, циклическая усталость и кривая Вёлера — почему детали ломаются при нагрузках ниже предела прочности.

  3. 3 Диаграммы состояния

    1. Фазы, компоненты и правило фаз Гиббса

      Понятия фазы и компонента, число степеней свободы и правило фаз Гиббса C=K−F+1 для металлических сплавов при постоянном давлении.

    2. Правило рычага: расчёт долей фаз

      Правило рычага на диаграмме состояния: как по составу сплава и границам двухфазной области рассчитать массовые доли жидкости и твёрдой фазы.

    3. Эвтектика и эвтектические сплавы

      Эвтектическая точка и реакция, эвтектическая структура, минимальная температура плавления и применение легкоплавких эвтектик в пайке.

    4. Диаграмма железо-углерод

      Феррит, аустенит, цементит, перлит и ледебурит: основные фазы и структуры диаграммы железо-углерод, граница сталей и чугунов.

  4. 4 Стали и чугуны

    1. Влияние углерода на свойства стали

      Как содержание углерода меняет прочность, твёрдость и пластичность стали, и почему доли процента дают огромную разницу свойств.

    2. Маркировка сталей

      Как читать марки сталей: углеродистые конструкционные и инструментальные, легированные стали и обозначения легирующих элементов по ГОСТ.

    3. Структуры стали: феррит, перлит, мартенсит

      Основные структуры стали — феррит, перлит, бейнит и мартенсит: как скорость охлаждения определяет структуру и свойства.

    4. Чугуны: виды и применение

      Белый, серый, ковкий и высокопрочный чугун: форма графита, свойства и применение литейных железоуглеродистых сплавов.

  5. 5 Термическая обработка

    1. Отжиг и нормализация

      Виды отжига и нормализация: снятие напряжений, измельчение зерна, улучшение обрабатываемости и подготовка структуры стали.

    2. Закалка и прокаливаемость

      Закалка стали на мартенсит, критическая скорость охлаждения, прокаливаемость и выбор охлаждающей среды.

    3. Отпуск и диаграммы превращений

      Отпуск закалённой стали: низкий, средний и высокий; снятие хрупкости мартенсита, диаграммы изотермического превращения аустенита.

  6. 6 Цветные сплавы и неметаллы

    1. Алюминий, медь и титан

      Свойства и применение алюминиевых, медных и титановых сплавов: удельная прочность, коррозионная стойкость и старение.

    2. Полимеры

      Строение полимеров, термопласты и реактопласты, степень полимеризации, стеклование и зависимость свойств от длины цепей.

    3. Керамика и стекло

      Керамика и стекло: ионно-ковалентная связь, высокая твёрдость и хрупкость, аморфная структура стекла и применение в технике.

  7. 7 Композиты

    1. Строение композитов и роль фаз

      Матрица и армирующая фаза в композитах: распределение нагрузки, типы наполнителей и почему композит превосходит компоненты.

    2. Правило смесей для модуля упругости

      Правило смесей Ec=Vf·Ef+Vm·Em для модуля композита вдоль волокон, нижняя граница поперёк и расчёт эффективного модуля.

    3. Виды композитов и применение

      Полимерные, металлические и керамические композиты, дисперсно-упрочнённые и волокнистые материалы, области применения.

  8. 8 Коррозия, диффузия и выбор материала

    1. Коррозия металлов и защита

      Виды коррозии, электрохимический механизм, скорость коррозии и методы защиты: легирование, покрытия, протекторы.

    2. Диффузия и закон Фика

      Диффузия в твёрдых телах, первый закон Фика, температурная зависимость коэффициента диффузии и численное моделирование проникновения углерода.

    3. Наноматериалы и выбор материала под задачу

      Наноматериалы и масштабные эффекты, удельная поверхность, и системный подход к выбору материала под инженерную задачу.