Лекции
1. Теоретические и технологические основы производства материалов
Конструкционные материалы - материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку.
Определяющими параметрами К. м. являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества К. м. относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
По технологическому исполнению конструкционные материалы подразделяются -- на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.);
по условиям работы -- на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.;
по критериям прочности -- на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Материалы, применяемые в машиностроении и приборостроении
Материалы классифицируются по агрегатному состоянию на:
- твердые (металлические, неметаллические, композиционные),
- жидкие (масла, клеи, эмульсии и т.д.),
- газообразные (аргон, кислород, ацетилен, углекислый газ, азот и т.д.).
Именно к твердым материалам относятся конструкционные материалы, т.е. материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку.
К металлическим конструкционным материалам относятся черные и цветные металлы.
Черные металлы -- техническое название железа и железных сплавов (чугун, сталь, ферросплавы). являются до настоящего времени основным машиностроительным материалом. В общемировом производстве металлов свыше 90% приходятся на железо и его Чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в строительстве и машиностроении. По объёмам производства большинства важнейших видов продукции черной металлургии (чугуна, стали, железной руды, стальных труб, огнеупоров, кокса) Россия занимает 1-е место в мире.
Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.
Чугун -- это сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2,14%. Чугун обладает хорошими литейными свойствами и малой способностью к пластической деформации. В его структуре содержатся графитовые включения -- размер и форма, которые определяют тип чугуна и его применение для изготовления различных изделий.
Серый чугун -- это чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.
Высокопрочный чугун, в котором углерод находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита, применяется для изготовления деталей, подвергающихся значительным механическим нагрузкам.
Ковкий чугун имеет более высокие характеристики пластичности по сравнению с вышеуказанным чугуном и применяется при изготовлении деталей, где требуются более высокие показатели механических свойств. В зависимости от условий кристаллизации образуется графит различной формы, который в значительной степени и влияет на свойства чугуна.
Сталь-- это сплав железа (могут входить и другие сплавы), чугуна и углерода. Углерод в этом сплаве является незаменимым компонентом, его содержание около 2%. В зависимости от состава стали, она может быть прочным материалом или твердым. Прочный материал используется для изготовления морских судов, мостов. Что же касается твердой стали, она используется для изготовления различных металлорежущих инструментов. Существует также нержавеющая сталь, которая является очень прочным и антикоррозионным материалом. Нержавеющая сталь состоит из хрома и никеля. металлургический сталь доменный плавка
Сталь -- это материал, которому можно придавать любую форму с помощью прокатки, прессования или литья. С помощью термообработки, возможно, получить сталь, которая будет обладать различными как химическими, так и физическими свойствами. Некоторые мягкие стали обрабатываются ручным инструментом. Твердой сталью можно даже резать стекло. Сталь легко подвергается методу полировки.
Цветные металлы -- К цветным Ме относятся медь, алюминий, магний, никель, титан, вольфрам, а также бериллий, германий и другие цветные металлы. Цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Но добыча цветного металла ограниченна природными источниками и является трудоемким и длительным процессом. В чистом их виде весьма редко используют. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.
Легкие сплавы сплавы на основе алюминия и магния, титана и бериллия. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.
Тяжелые сплавы сплавы на основе меди, олова, цинка, свинца
Бронза (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем)
Латунь (сплав меди с цинком).
Металлические сплавы различают:
по системам сплавов -- алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.;
по типам упрочнения -- закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.;
по структурному составу -- стали аустенитные и ферритные, латуни и т.д.
Конструкционные (в т. ч. нержавеющие) стали выплавляются в конверторах, мартеновских и электрических печах. Для дополнительной рафинировки применяются продувка аргоном и обработка синтетическим шлаком в ковше. Стали ответственного назначения, от которых требуется высокая надёжность, изготовляются вакуумно-дуговым, вакуумно-индукционным и электрошлаковым переплавом, вакуумированием, а в особых случаях -- улучшением кристаллизации (на установках непрерывной или полунепрерывной разливки) вытягиванием из расплава.
1. Чугуны широко применяются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительных средах, и др
2. Никелевые сплавы и Кобальтовые сплавы сохраняют прочность до 1000--1100 °С. Применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др.
3. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.
4. Магниевые сплавы применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.
5. Титановые сплавы применяются для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов химической и нефтеперерабатывающей промышленности, медицинских инструментов и др.
Неметаллические К. м. -- термопластичные полимеры, керамика, резина и др. Неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки.
Неметаллические материалы подразделяют по изомерному составу, технологическому исполнению (прессованные, тканые, намотанные, формованные и пр.), по типам наполнителей (армирующих элементов) и по характеру их размещения и ориентации.
Неметаллические К. м. включают пластики, термопластичные полимерные материалы, керамику, стекла, резины, древесину.
Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных, кремнийорганических термопластичных смол и фторопластов, армированные (упрочнённые) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и др. волокнами, тканями и лентами, применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др.
Термопластичные полимерные материалы -- Полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты, а также реактопласты используют в деталях электро- и радиооборудованиях, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе химически активных: топливах, маслах и т.п.
Стекла (силикатные, кварцевые, органические), триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах.
Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений. Основное свойство резины -- очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.
Композиционные конструкционные материалы
Композиционными называют сложные материалы в состав которых входят отличающиеся по свойствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, керамической.
Композиционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости могут на 50--100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкций на 20--50%.
По типу упрочнителя композиционные материалы делятся на
- дисперсноупрочненные, в которых упрочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др., Например, САП (спеченная алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия.
- волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различной формы (углеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.).
- слоистые, состоящие из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала.
Природные источники материалов (руды черных и цветных металлов, нефть, природный газ, пески, алмазы, глины, канифоль, слюда и т.д.).
Земля богата различными материалами, которые являются природными источниками различных веществ и материалов. Это, например, руды, нефть и природный газ, которые являются источниками получения углеводородов., пески, алмазы, глины, канифоль и т.д.
Природными источниками Ме являются руды. Огромное количество металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие встречаются в свободном состоянии, их называют самородными. Золото и платина встречаются исключительно в свободном состоянии, медь и и серебро -частично.
Минеральные и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем носят названия руд. Главнейшие руды содержат оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Обычно руды представляют собой совокупность минералов.
Называют руду по одному или нескольким металлам, входящим в их состав, например: железные, медно-никелевые.
В зависимости от содержания добываемого элемента различают руды богатые и бедные. Бедные руды обогащают - удаляют часть пустой породы.
Самым распространенным Ме является алюминий. Он встречается виде алюмосиликатов: Алунита KAl(SO4)2*Al(OH)3, Криолита Na3[AlF6], Шпинели Mg[Al2O4], а также виде оксида и гидратов. Это прежде всего корунд - б Al2O3. Боксид Al2O3.* nH2O.
Железо находится на;2 месте по распространенности среди металлов.
Основными рудоностными минералами железа являются оксидные и сульфидные соединения: магнетит - Fe3O4, гематит- Fe2O3, лимонит пирротин - Fe2O3nH2O, пирит- FeS2.
Общие запасы железных руд в Росси составляют сто один млрд. т. При этом 59% запасов сосредоточено в Европейской части, а 41% - к востоку от Урала.
Кобальт и никель образуют сульфидные и арсенидные минералы.
Кобальтин - CoAcS, никелин - NiAs, скуттерудит - CoAs3 и герсдорфит - NiAsS.дд
Медь в чистом виде в природе встречается редко. Медные руды содержат, кроме собственно меди, различные другие элементы. Чаще всего в рудах медь находится в соединении с серой (сульфиды) -- медный колчедан CuFeS2 и медный блеск Cu2S. Эти виды сернистых соединений меди обычно встречаются вместе.