Главная страница
Навигация по странице:

  • 2.1. Классификация и происхождение (производство) материалов Ключевые слова

  • Чугун

  • Сталь

  • Кислородно-конверторный процесс

  • Производство

  • Производство неметаллических материалов

  • В судостроении и судоремонте нашли применение следующие не­металлические

  • В настоящее время использование асбестовых материалов запрещено в большинстве развитых стран.

  • 2.2. Общие сведения о строении материалов. Ключевые слова

  • Кристаллическое строение металлов.

  • Процесс кристаллизации металла

  • сведения о строении сплавов.

  • Строение неметаллических материалов.

  • Полимеры встречаются в природе

  • Тезисы лекций кривощекова В. Е. По дисциплине технология материалов тема Общие сведения о происхождении и строении различных материалов, их классификация. Механические свойства материалов и методы их определения


    НазваниеТезисы лекций кривощекова В. Е. По дисциплине технология материалов тема Общие сведения о происхождении и строении различных материалов, их классификация. Механические свойства материалов и методы их определения
    АнкорDok_6_Temy_2-7_InoSh.doc
    Дата16.06.2017
    Размер1.6 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаDok_6_Temy_2-7_InoSh.doc
    ТипТезисы
    #9912
    страница1 из 8
      1   2   3   4   5   6   7   8

    Док 6. Темы 2-7 ИноШ Для студентов/курсантов 1-го курса ОНМА



    ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИЙ Кривощекова В.Е. ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ
    Тема 2. «Общие сведения о происхождении и строении различных

    материалов, их классификация». «Механические свойства материалов

    и методы их определения»
    «Студент! Помни! Когда ты попадешь на работу на реальный пароход

    (если, конечно, вообще попадешь), то тебе скажут: «Забудь все,

    чему тебя учили в морской академии, и начинай учиться заново…».

    Главное научиться учиться, а учиться придется самому и всю жизнь!

    [А. Райкин в период развитого социализма и автор сейчас]
    2.1. Классификация и происхождение (производство) материалов
    Ключевые слова: классификация материалов, производство стали, чугуна и цветных металлов, сплавов, неметаллических материалов
    В общем случае технические материалы классифицируются по схеме, которая представлена на рис. 2. (будет представлен на лекции)

    Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.

    Вначале железо получали непосредственно из руды восстанов­лением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался сплав хрупкий, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном. С XIII в. чугун начали перерабатывать в сталь - сплав с меньшим, чем в чугуне, содержа­нием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов. Сталь обладала высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадий­ная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.

    Чугун выплавляют из железных руд пирометаллургическим спосо­бом (получение тепла за счет сжигания топлива) в доменных печах, используя для этого твердое топливо - кокс и флюсы.

    Кокс выполняет еще и роль восстановителя железа из руды, а флюс - позволяет переводить пустую породу в шлак, связывать и удалять находящуюся в топливе и руде серу. В качестве флюса слу­жит известняк СаСО3.

    Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, - выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900ОС вступают в химическую реакцию с восстановлением железа.

    Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, обра­зуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1OOO - 11OOОC науглероживается.

    Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, крем­нием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи.

    Сталь получают различными способами: в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах. Физико-химическая сущность производства стали заключается в переделе чугуна, уменьшения в нем содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

    Кислородно-конверторный процесс получения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислоро­дом дутья, так и оксидом железа FeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конвертора раскисляют, т.е. вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si, Mn, Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксиды MnO, SiO2, Аl2 O3, переходящие в шлак.

    Мартеновский процесс получения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома):

    Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS + СаO = FeO + CaS. Оксиды SiO2, MnO, P2O5, CaO, a также сульфид CaS образуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи.
    Производство стали в электропечах обладает рядом преиму­ществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной тем­пературы в пределах до 2000OC, возможностью создания окислитель­ной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуу­ма. Это позволяет получать стали с минимальным количеством приме­сей и оптимальным содержанием нужных компонентов. Эти стали отличаются высоким качеством и обладают специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение со­держания всех компонентов до заданного уровня. Физическая сущность хими­ческих реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.

    Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокой­ные и пулуспокойные.

    Кипящей называют сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, ко­торые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наи­более дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

    Спокойную сталь получают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно умень­шает выход годного металла.

    Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарган­цем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В ниж­ней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верх­ней – кипящей.

    Производство цветных металлов отличается большим разнообра­зием технологических процессов выплавки и определяется особеннос­тями состава их руд.

    Медь получают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединений CuS, Cu2S, CuFeS2 и др. Процесс выплав­ки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта – штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой – рафинированием.

    Алюминий получают из бокситов, апатитов и других руд. Алюми­ний входит в них в виде глинозема Al2O3 Производство алюминия состоит из двух процессов: выделения глинозема из руды и его электролиза.

    Титан получают из ильменитовой руды TiO2*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным спосо­бом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуго­вой печи для удаления оксидов железа.

    Подробнее производство цветных металлов см. в [рекомендованной литературе, Док. 5 и по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].
    Производство неметаллических материалов основано на исполь­зовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками. В судостроении и судоремонте нашли применение следующие не­металлические материалы: пластмассы, резина, асбест, клеи, лакок­расочные материалы и др.

    Пластмассы получают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.

    Резину получают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический ма­териал она отличается высокими пластическими свойствами.

    Клеями обычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные плен­ки. Хорошо прилипающие к различным материалам.

    Лакокрасочные материалы принадлежат к группе пленкообразую­щих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластифика­торы и др.

    Асбестом называют группу минералов волокнистого строения, представляющих собой скопление тончайших волокон в виде кристал­ликов, удлиненных по одной из своих осей. По специальной техноло­гии асбестовые минералы расщепляют на эластичные и прочные волок­на. Эти волокна являются исходным сырьем для производства ряда асбестовых материалов; нитей, шнуров, листовых и фрикционных ма­териалов, сальниковой набивки и т.д. В настоящее время использование асбестовых материалов запрещено в большинстве развитых стран.

    Более подробно о неметаллических материалах см. [рекомендованную литературу, Док. 5 и по ссылке:http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].
    2.2. Общие сведения о строении материалов.

    Ключевые слова: Кристаллическое строение и решетки металлов, полиморфизм железа, анизотропия металлов, дефекты кристаллическо­го строения, кристаллизация металлов. Общие сведения о строении сплавов. Строение неметаллических материа­лов.
    Кристаллическое строение металлов. Подавляющее большинство металлов имеют кубические решетки: объемно центрированную ОЦК (Сr, Mo, W), гранецентирированную ГЦК (Ni, Ai, Си), и гексагональную плотно упакованную ГПУ (Zn, Mg).

    Некоторые металлы и в пер­вую очередь железо, при различ­ной температуре имеют различную кристаллическую форму (модифика­цию), которые обозначаются греческими буквами , , ,  и т.д. Существование металла в раз­личных кристаллических формах на­зывается полиморфизмом, а переход из одной модификации в другую полиморфным превращением. Это положение имеет большое значение для понимания основ ме­талловедения и в первую очередь термической обработки.

    Установлено, что свойства отдельных кристаллов (монокристаллов) в различных направлениях неодинаковые, поскольку число атомов и расстояние между ними в них различны. Такое явление, как зави­симость свойств металлов от направления, назвали анизотропией, имеющей большое значение в технике. Следует обратить внимание на то, реальные металлы (поликристаллы) являются изотропными, т.е. у них свойства не зависят от направления, если они не подвергнуты специальной обработке, например, прокатке.

    Кристаллические решетки металлов не являются идеальными, а имеют много дефектов: точечные – вакансии, смещенные атомы, атомы примесей и линейные – дислокации (краевые и винтовые). Эти дефек­ты в значительной мере изменяют свойства кристаллов. Для поликристалла, состоящего из зерен, которые в свою очередь состоят из блоков монокристаллов ориентированных под различными углами, име­ет место так называемый поверхностный дефект, образующийся на границах зерен и свободных поверхностях.

    Процесс кристаллизации металла начинается с образования центров (зародышей) кристаллизации. От них растут первичные (главные) оси будущих кристаллов, затем перпендикулярно к ним – оси высших порядков (рис. 2.2, а). Такие первичные кристаллы, на­поминающие внешним видом дерево, получили название дендритов. Дальнейший их рост и формирование кристаллов происходит за счет жидкого металла,

    заполняющего межосевое пространство. В конечном итоге кристаллы, соприкасаясь друг с другом, приобретают случай­ную внешнюю форму (рис. 2.2,б). Такие кристаллы назваются зернами. Величина и количество зерен характеризуется двумя факторами: чис­лом центров кристаллизации (ЧЦ) и скоростью их роста, т.е. ско­ростью кристаллизации (СК). От этих факторов зависит в основном размер зерен, а, следовательно, и свойства металла. С повышением скорости охлаждения ЧЦ увеличивается в большей степени, чем СК, поэтому размер зерен в металле уменьшается. Схематически строение металлического слитка представлено на рис. 2.3. Необходимо объяснить, почему его зерна в разли­чных зонах сильно отличаются друг от друга.

    Общие сведения о строении сплавов. Сплавы состоят из двух или более металлов или металлов и неметаллов. В технике металлы и их сплавы обычно относят к одной группе материалов – к металлам. Сплавы или их части могут быть одно – или двухфазными (фаза – од­нородная по составу и строению часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно). Они (сплавы) образуются в виде твердого раство­ра (компоненты растворяются друг в друге в твердом состоянии), механической смеси и химического соединения. Твердый раствор и химическое соединение являются однофазными и имеют один тип крис­таллической решетки, а механическая смесь двух компонентов - двух­фазной и т.д. При этом в твердом растворе атомы растворимого ком­понента либо замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке, либо внедряются, в нее.
    Строение неметаллических материалов. В основе строения неме­таллических материалов лежат полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. При таких больших размерах макромолекул свойст­ва веществ определяются не только химическими составами этих мо­лекул, но и их взаимным расположением и строением.

    Макромолекулы полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Поперечное сечение цепи – несколько анг­стрем, а длина – несколько тысяч ангстрем. Поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость, являющаяся одной из отличительных свойств полимеров. Гибкость полимеров ограничена размером сегмен­тов – жестких участков, состоящих из нескольких участков. Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической связью, а силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно (в 10-50 раз) меньше. Таким образом, молекулы полимеров характеризуются прочными связями в самих макромоле­кулах и относительно слабыми между ними.

    Полимеры встречаются в природе – натуральный каучук, целлю­лоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой яв­ляются синтетические полимеры, получаемые в процессе химического синтеза из низкомолекулярных соединений. Возможности создания но­вых полимеров и изменения свойств уже существующих очень велики. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.

    Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

    Термопластичные полимеры при нагревании размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают. Этот процесс обратим, т.е. никаких дальнейших химических превращений материал не претерпева­ет. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветв­ленная. Представителями термопластов являются полиэтилен, полис­тирол, полиамиды и др.

    Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагревании размягчаются, затем вследс­твие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным. Приме­ром термореактивных смол могут служить фенолоформальдегидная, глифталевая и другие смолы.

    Более подробно см. [рекомендованную литературу, Док. 5 и все учебные пособия по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].
      1   2   3   4   5   6   7   8
    написать администратору сайта