Виды чугуна. Термин чугун, получение и применение чугуна, свойства чугуна

Чугун — широко используемый в разных отраслях промышленности металл, отличающийся замечательными эксплуатационными характеристиками. Процесс его получения относительно несложен и слишком много шагов в себя не включает. Выплавляют этот материал в домнах — особых печах, представляющих собой нечто вроде увеличенной копии пробирки. О том, как получают чугун, и поговорим далее во всех подробностях.

Горно-обогатительные комбинаты

Основным сырьем, используемым при является Добывают ее в карьерах в разных местах нашей страны. Как известно, добытая руда содержит большое количество разного рода примесей. Использовать ее для плавки чугуна в таком «сыром» виде, конечно же, нельзя. Поэтому на первом этапе она поступает на специальные предприятия — горно-обогатительные комбинаты. Здесь из нее удаляют и дробят. Затем уже чистую руду грузят в вагоны составов и отправляют на металлургические комбинаты.

Процесс агломерации

Собственно, как получают чугун, рассмотрим чуть ниже. Сейчас же поговорим о том, как подготавливается руда для его выплавки непосредственно на металлургических производствах.

Если для переплавки будет использован обычный дробленый материал, производительность доменной печи резко упадет. Дело в том, что такая шихта имеет низкую степень газопроницаемости. Поэтому перед загрузкой в домну руда в обязательном порядке проходит процесс агломерации.

Выполняется эта процедура в специализированных цехах металлургических комбинатов и представляет собой процесс спекания породы в куски определенного, наиболее подходящего для выплавки чугуна размера. Происходит слипание при высокой температуре, достаточной для легкого расплавления поверхности частиц шихты. В результате последние просто-напросто склеиваются друг с другом, образуя куски. При этом предварительно руда смешивается с углем. В результате горения последнего и достигается необходимая для получения кусков температура. Стимулируется процесс агломерации путем пропускания через слой руды с углем потоков воздуха (сверху вниз).

Для получения агломерата может использоваться не только руда. Иногда его делают также из небольших кусков железа. Его сплав с каким веществом позволяет получить чугун, будет рассмотрено ниже. Конечно же, для производства этого металла используется не железо в чушках. Переплавляют на чугун обычный металлолом.

Что происходит в печи

Итак, давайте посмотрим, как получают чугун в домне. Изнутри печь такой конструкции облицована кирпичом. Принцип ее работы относительно прост. При производстве чугуна, помимо агломерата, используются кокс, известь и флюс. Смесь из этих материалов готовится в определенной пропорции. Она то и называется доменной шихтой. Ее насыпают в специальные подъемники и поднимают на самый верх печи.

Для того чтобы кокс загорелся, необходимо большое количество воздуха, обогащенного кислородом. Он подается в доменную печь снизу, через специальные отверстия, называемые фурменными. Вдувается он в печь под очень большим давлением. Это необходимо для того, чтобы воздух проник через пласт подаваемой сверху шихты. При этом предварительно поток подогревается до 600-800 градусов, иначе температура внутри печи снизится.

Полученный при расправлении шихты чугун стекает вниз и с периодичностью примерно один раз в 40 мин выпускается наружу через специальное отверстие, называемое леткой. Далее он переливается в чаши большой емкости и перевозится в сталеплавильные цеха.

Восстановление и науглероживание железа в печи

Все домны работают по принципу противотока. При этом в них поочередно происходят следующие :

1. Восстановление железа. Происходит этот процесс последовательно и выглядит так: Fe 2 O 3 — Fe 3 O 4 — FeO — Fe. В качестве восстановителя в данном случае выступает оксид углерода (CO), образующийся при взаимодействии CO 2 с раскаленным коксом, а также твердый углерод последнего.
2. Науглероживание железа. Реакция в данном случае выглядит так: 3Fe + 2CO = Fe 3 C + CO 2 + Q. Карбид Fe 3 C легко смешивается с твердым железом, в результате чего и образуется сплав последнего с углеродом. Стекая вниз, он омывает куски кокса и науглероживается еще больше. Помимо этого, в нем растворяются такие вещества, как марганец, сера, кремний и т. д.

Таким образом, становится понятно, доменный металл — это сплав железа с каким веществом. Получить чугун можно просто путем науглероживания расплава шихты.

Восстановление других элементов

Mn, кремний, сера и фосфор попадают в доменную печь вместе с шихтой в виде различных химических соединений. марганца восстанавливаются до MnO примерно по тому же принципу, что и железо: MnO 2 — Mn 2 O 3 — Mn 3 O 4 — MnO. Чистый марганец выделяется так: MnO + C = Mn + CO — Q. Кремний попадает в печь в виде кремнезема SiO 2 . Восстановление его происходит по реакции SiO 2 + 2C = Si + 2CO — Q.

Фосфор восстанавливается водородом, твердым углеродом и CO и, к сожалению, переходит в чугун практически полностью. Этот элемент ухудшает доменный сплав железа. Позволяет получить чугун хорошего качества присутствующий в шихте кремнезем, а также высшие оксиды марганца. Mn в некоторых случаях добавляется в домну специально. При этом получается особый вид чугуна — марганцевый.

Удаление серы

Вопрос о том, как получить чугун хорошего качества, сводится в том числе и к очистке его от этого нежелательного элемента. Сера является основной вредной примесью, значительно ухудшающей свойства конечного продукта выплавки. Основное ее количество содержится в коксе. Удаляют серу путем повышения содержания в шихте извести (CaO) и увеличения температуры в горне. Реакция в данном случае выглядит так: FeS + CaO = FeO + CaO + Q. Для снижения процента содержания серы в чугуне могут использоваться и другие способы. К примеру, иногда уже выплавленный материал обрабатывается в выпускном желобе или чаше с содой. При этом удаление серы происходит в результате реакции FeS + NaCO 3 = FeO + Na 2 S + CO 2 .

Образование шлака

Таким образом, мы с вами выяснили, как получают чугун. Однако при выплавке этого материала получается и еще один, широко используемый в народном хозяйстве продукт. При плавке 1 т чугуна выходит 0,6 т шлака. Дело в том, что даже в очищенной железной руде содержится довольно-таки большое количество глины. В состав кокса же входит зола. Для удаления этих ненужных элементов к шихте, помимо всего прочего, примешивают флюсы (карбонаты кальция и магния). В процессе плавки они вступают в химическую реакцию с разного рода примесями, в результате чего и образуется шлак. Представляет он собой алюмосиликатный или силикатный расплав.

Плотность шлака меньше, чем жидкого чугуна. Поэтому в процессе плавки он располагается под ним. Удаляют его периодически через отдельную летку, называемую шлаковой. Используется этот побочный продукт чугунолитейного производства в основном для изготовления цемента и строительных блоков в качестве наполнителя.

Виды чугуна

Как видите, вопрос о том, как получить чугун в домне, относительно несложен. В конечном итоге, однако, из печи может выходить материал, немного отличающийся по химическому составу и физическим свойствам. Все чугуны в основном подразделяются на две разновидности: передельные (белые) и литейные (серые). Первый тип используется как сырье при Литейный применяют для получения разного рода чугунных изделий, пользующихся на рынке неплохим спросом.

Белый чугун

Доля этой разновидности выплавляемого в доменных печах металла составляет 75-80%. Основными свойствами такого чугуна являются: большая твердость, хрупкость и износоустойчивость. Марганца и серы в нем содержится обычно больше, чем в литейном. Обработке поддается с большим трудом. Использовать для изготовления из него каких-либо изделий обычные режущие инструменты современных станков нельзя. Зато сталь получают из чугуна этой разновидности довольно-таки просто. Подразделяется передельный доменный металл в зависимости от способа дальнейшей переплавки на три класса: мартеновский (М), бессемеровский (Б) и томасовский (Т).

Литейный чугун

Углерод в этом материале в основном содержится в виде свободного графита, имеющего в своем составе кремний. Поставляется он для изготовления чугунных изделий в виде чушек. Маркируется этот материал буквой «Л» и цифрами от «1» до «6», в зависимости от назначения. Существует также рафинированный магнием литейный чугун, помечаемый буквами «ЛР».

Ну что ж, надеемся, мы в достаточно полной мере ответили на вопрос о том, сплав железа с каким веществом позволяет получить чугун. Это обычный углерод, замещающий в доменной печи входящий в состав руды кислород. Основные же свойства чугуна зависят от количества входящих в его состав примесей: марганца, фосфора, кремния и серы.

Многие знают о таком материале как чугун и его прочностных характеристиках. Сегодня мы с вами углубим эти знания и выясним, что такое чугун, из чего он состоит, каких видов бывает и как производится.

Состав

Что такое чугун? Это сплав из железа, углерода и разнообразных примесей, благодаря которым он обретает необходимые свойства. Материал должен иметь в своем составе не менее 2,14% углерода. В противном случае, это будет сталь, а не чугун. Именно благодаря углероду чугун обладает повышенной твердостью. Вместе с тем, данный элемент снижает пластичность и ковкость материала, придавая ему хрупкость.

Кроме углерода, в состав чугуна в обязательном порядке входят: марганец, кремний, фосфор и сера. В некоторые марки также вносят дополнительные присадки, для придания материалу специфических свойств. Среди часто используемых легирующих элементов можно отметить: хром, ванадий, никель и алюминий.

Материал имеет плотность 7,2 г/см 3 . Для металлов и их сплавов это достаточно высокий показатель. Чугун хорошо подходит для производства всяческих изделий путем литья. В этом плане он превосходит все сплавы железа кроме некоторых марок стали.

Температура плавления чугуна равна 1200 градусам. У стали данный показатель выше на 250-300 градусов. Причина тому кроется в повышенном содержании в чугуне углерода, которое обуславливает менее тесные связи между атомами железа. Во время выплавки чугуна и его последующей кристаллизации, углерод в полной мере не успевает внедриться в структуру железа. Поэтому материал получается хрупким. Структура чугуна не позволяет использовать его для производства продукции, которая постоянно подвержена динамическим нагрузкам. А вот для чего чугун подходит идеально, так это для деталей, которые должны обладать повышенной прочностью.

Получение

Получение чугуна — весьма затратный и материалоемкий процесс. Чтобы получить одну тонну сплава, необходимо 550 кг кокса и 900 л воды. Что касается руды, то ее количество зависит от содержания в ней железа. Как правило, используется руда с массовой долей железа не менее 70%. Обработка менее богатых руд нецелесообразна с экономической точки зрения.

Прежде чем отправиться на переплавку, материал обогащается. Производство чугуна в 98% случае происходит в доменных печах.

Технологический процесс включает в себя несколько этапов. Сначала в доменную печь загружается руда, в состав которой входит магнитный железняк (соединение двух- и трехвалентного оксида железа). Также могут использоваться руды, в которых содержатся водная окись железа или его солей. Кроме сырья, в печь кладут коксующиеся угли, необходимые для создания и поддержания высокой температуры. Продукты горения углей как восстановители железа также участвуют в химических реакциях.

Дополнительно в топку подается флюс, играющий роль катализатора. Он ускоряет процесс плавления пород и освобождения железа. Важно отметить, что прежде чем попасть в топку, руда должна пройти специальную обработку. Так как мелкие части лучше плавятся, ее предварительно измельчают на дробильной установке. Затем руду промывают, чтобы избавиться от примесей, не содержащих металла. Затем сырье высушивается и проходит обжиг в печах. Благодаря обжигу из него удаляется сера и прочие чужеродные элементы.

После полной загрузки печи начинается второй этап производства. Когда горелки запущены, кокс постепенно разогревает сырье. При этом выделяется углерод, который реагирует с кислородом и образует оксид. Последний принимает активное участие в восстановлении железа из находящихся в руде соединений. Чем больше газа накапливается в печи, тем медленнее протекает реакция. Когда нужная пропорция достигнута, реакция и вовсе останавливается. Избыток газов в дальнейшем служит топливом для поддержания необходимой температуры в печи. У этого метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, он позволяет снизить затраты горючего, что удешевляет производственный процесс. И, во-вторых, продукты горения не попадают в атмосферу, загрязняя ее, а продолжают участвовать в производстве.

Избыток углерода перемешивается с расплавом и поглощается железом. Так и получается чугун. Примеси, которые не расплавились, всплывают на поверхность смеси и удаляются. Их называют шлаком. Шлак находит применение в производстве некоторых материалов. Когда из расплава удалены все лишние частицы, в него добавляют специальные присадки.

Разновидности

Что такое чугун и как его получают, мы уже выяснили, теперь разберемся с классификацией этого материала. Описанным выше путем получают передельный и литейный чугун.

Передельный чугун используется в производстве стали по кислородно-конвертерному пути. Этот вид отличается низким содержанием кремния и марганца в сплаве. Литейный чугун применяют в производстве всяческой продукции. Он делится на пять видов, каждый из которых рассмотрим отдельно.

Белый

Это сплав отличается содержанием избыточной части углерода в виде карбида или цементита. Название этому виду было дано за белый цвет в месте разлома. Содержание углерода в таком чугуне обычно превышает 3%. Белый чугун отличается высокой хрупкостью и ломкостью, поэтому его применяют ограниченно. Данный вид используют для производства деталей простой конфигурации, которые выполняют статические функции и не несут больших нагрузок.

Благодаря добавлению в состав белого чугуна легирующих присадок, можно повысить технические параметры материала. С этой целью чаще всего используют хром или никель, реже — ванадий или алюминий. Марка с подобного рода присадками получила название «сормайт». Она используется в различных устройствах как нагревательный элемент. «Сормайт» обладает высоким удельным сопротивлением, и хорошо работает при температурах не выше 900 градусов. Самое распространенное применение белого чугуна — производство бытовых ванн.

Серый

Это наиболее распространенная разновидность чугуна. Она нашла применение в разных областях народного хозяйства. В сером чугуне углерод представлен в виде перлита, графита или же феррито-перлита. В таком сплаве содержание углерода составляет порядка 2,5%. Как для чугуна, этот материал обладает высокой прочностью, поэтому его используют в производстве деталей, которые получают циклическую нагрузку. Из серого чугуна делают втулки, кронштейны, зубчатые шестеренки и корпуса промышленного оборудования.

Благодаря графиту серый чугун снижает силу трения и улучшает действие смазок. Поэтому детали из серого чугуна имеют высокую стойкость к данному виду износа. При эксплуатации в особо агрессивных средах в материал вводятся дополнительные присадки, позволяющие нивелировать негативное воздействие. К таковым относятся: молибден, никель, хром, бор, медь и сурьма. Эти элементы защищают серый чугун от коррозии. Кроме того, некоторые из них повышают графитизацию свободного углерода в сплаве. Благодаря этому создается защитный барьер, предотвращающий попадание на поверхность чугуна разрушающих элементов.

Половинчатый

Промежуточным материалом между двумя первыми разновидностями является половинчатый чугун. Содержащийся в нем углерод представлен в виде графита и карбида приблизительно в равных долях. Кроме того, в таком сплаве могут присутствовать в незначительных количествах лидебурит (не более 3%) и цементит (не более 1%). Общее содержание углерода в половинчатом чугуне колеблется 3,5 до 4,2%. Данная разновидность применяется для производства деталей, которые эксплуатируются в условиях постоянного трения. К таковым можно отнести автомобильные тормозные колодки, а также валки для измельчительных станков. Для еще большего повышения износостойкости в сплав добавляют всяческие присадки.

Ковкий

Этот сплав представляет собой разновидность белого чугуна, который с целью графитизации свободного углерода подвергается специальному обжигу. По сравнению со сталью, такой чугун имеет улучшенные демпфированные свойства. Кроме того, он не столь чувствителен к надрезам и хорошо работает в условиях низких температур. В таком чугуне массовая доля углерода составляет не более 3,5%. В сплаве он представлен в виде феррита, зернистого перлита, содержащего вкрапления графита или феррито-перлита. Ковкий чугун, как и половинчатый, используют в основном в производстве деталей, эксплуатирующихся в условиях непрерывного трения. Для повышения эксплуатационных характеристик материала в сплав добавляют магний, теллур и бор.

Высокопрочный

Данный вид чугуна получается вследствие образования в металлической решетке включений графита шаровидной формы. Из-за этого металлическая основа кристаллической решетки ослабевает, и сплав обретает улучшенные механические свойства. Образование шаровидного графита происходит благодаря введению в материал магния, иттрия, кальция и церия. Высокопрочный чугун близок по своим параметрам к высокоуглеродистой стали. Он неплохо поддается литью и может полностью заменить стальные детали механизмов. Благодаря высокой теплопроводности данный материал может быть использован для изготовления трубопроводов и отопительных приспособлений.

Трудности промышленности

На сегодняшний день литье чугуна имеет сомнительные перспективы. Дело в том, что из-за высокого уровня затрат и большого количества отходов промышленники все чаще отказываются от чугуна в пользу дешевых заменителей. Благодаря быстрому развитию науки уже давно стало возможным получение более качественных материалов при меньших затратах. Серьезную роль в этом вопросе играет защита окружающей среды, которая не приемлет использование доменных печей. Чтобы полностью перевести выплавку чугуна на электрические печи, нужны годы, если не десятилетия. Почему так долго? Потому что это очень дорого, и далеко не каждое государство может себе это позволить. Поэтому остается лишь ждать, пока наладится массовый выпуск новых сплавов. Конечно же, полностью прекратить промышленное применение чугуна в ближайшее время не получится. Но очевидно, что масштабы его производства будут падать с каждым годом. Эта тенденция началась еще 5-7 лет тому назад.

Заключение

Разобравшись с вопросом: «Что такое чугун?», можно сделать несколько выводов. Во-первых, чугун представляет собой сплав из железа, углерода и присадок. Во-вторых, он имеет шесть видов. В-третьих, чугун весьма полезный и универсальный материал, поэтому долгое время его дорогостоящее производство было целесообразно. В-четвертых, на сегодняшний день чугун уже считается пережитком прошлого, и планомерно уступает свои позиции более надежным и дешевым материалам.

(польск. stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %, но не менее 0,022 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.

Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием[источник не указан 122 дня] форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на низкоуглеродистые(до 0,25 % С), среднеуглеродистые(0,3-0,55 % С) и высокоуглеродистые(0,6-0,85 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

Плотность — 7700-7900 кг/м³.

Удельный вес — 75537-77499 н/м³ (7700-7900 кгс/м³ в системе МКГСС).

Удельная теплоемкость при 20 °C — 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)).

Температура плавления — 1450-1520 °C.

Удельная теплота плавления — 84 кДж/кг (20 ккал/кг).

Коэффициент теплопроводности — 39 ккал/(м·час·°C) (45,5 Вт/(м·К)).[источник не указан 136 дней]

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20) — (1/град);

сталь нержавеющая — (1/град).

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций — 38-42 (кГ/мм²);

сталь кремнехромомарганцовистая — 155 (кГ/мм²);

сталь машиностроительная (углеродистая) — 32-80 (кГ/мм²);

сталь рельсовая — 70-80 (кГ/мм²);

Сплав железа с углеродом (содержанием обычно более 2,14 %), характеризующийся эвтектичесим превращением. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае — 477 млн тонн).

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома.

Серый чугун — это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит.

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун — П1, П2;

передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,

передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,

передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;

чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

антифрикционный серый — АЧС,

антифрикционный высокопрочный — АЧВ,

антифрикционный ковкий — АЧК;

чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами — Ч.

до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная печь шахтного типа для выплавки чугуна, ферросплавов из железорудного сырья. Первые доменные печи появились в Европе в середине XIV века, в России — около 1630 г.

Доменная печь представляет собой сооружение высотой до 35 м, высота ограничивается прочностью кокса, на котором держится весь столб шихтовых материалов. Загрузка шихты осуществляется сверху, через типовое загрузочное устройство, которое одновременно является и газовым затвором доменной печи. В домне восстанавливают богатую железную руду (на современном этапе запасы богатой железной руды сохранились лишь в Австралии и Бразилии), агломерат или окатыши. Иногда в качестве рудного сырья используют брикеты.

Доменная печь состоит из пяти конструктивных элементов: верхней цилиндрической части — колошника, необходимого для загрузки и эффективного распределения шихты в печи; самой большой по высоте расширяющейся конической части — шахты, в которой происходят процессы нагрева материалов и восстановления железа из оксидов; самой широкой цилиндрической части — распара, в котором происходят процессы размягчения и плавления восстановленного железа; суживающейся конической части — заплечиков, где образуется восстановительный газ — монооксид углерода; цилиндрической части — горна, служащего для накопления жидких продуктов доменного процесса — чугуна и шлака.

В верхней части горна располагаются фурмы — отверстия для подачи нагретого до высокой температуры дутья — сжатого воздуха, обогащенного кислородом и углеводородным топливом.

На уровне фурм развивается температура около 2000 °C. По мере удаления вверх температура снижается, и у колошников доходит около 270 °C. Таким образом в печи на разной высоте устанавливается разная температура, благодаря чему протекают различные химические процессы перехода руды в металл.

Процессы, протекающие в печи

В верхней части горна, где приток кислорода достаточно велик, кокс сгорает, образуя диоксид углерода и выделяя большое количества тепла.

C + O 2 = CO 2 + Q

Диоксид углерода, покидая зону, обогащенную кислородом, вступает в реакцию с коксом и образует монооксид углерода — главный восстановитель доменного процесса.

Поднимаясь вверх монооксид углерода взаимодействует с оксидами железа, отнимая у них кислород и восстанавливая до металла:

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Полученное в результате реакции железо каплями стекает по раскаленному коксу вниз, насыщаясь углеродом, в результате чего получается сплав, содержащий 2,14 — 6,67 % углерода. Такой сплав называется чугуном. Кроме углерода в него входят небольшая доля кремния и марганца. В количестве десятых долей процента в состав чугуна входят также вредные примеси — сера и фосфор. Кроме чугуна в горне образуется и накапливается шлак, в котором собираются все вредные примеси.

Ранее, шлак выпускался через отдельную шлаковую лётку. В настоящее время и чугун, и шлак выпускают через Чугунную летку одновременно. Разделение чугуна и шлака происходит уже вне доменной печи — в желобе, при помощи разделительной плиты. Отделенный от шлака чугун сливается в чугуновозные ковши и вывозится в сталеплавильный цех.

Определение термина чугун

Классификация и свойства чугуна

Передельный чугун

Чугун и его применение

Чугун в искусстве

Художественное литье из чугуна. Народные промыслы и ремесла

История Каслинского чугунного литья

Рапсодия чугуна: мифы и реальность

Определение термина чугун

Чугу́н — сплав железа с углеродом (содержанием более 2,14 %). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок. Мировое производство чугуна в 2007 составило 953 млн тонн (в том числе в Китае — 477 млн тонн).

Чугун (тюркское), сплав железа (основа) с углеродом (2-4,5%), содержащий постоянные примеси (марганец до 1,5%, кремний до 4,5%, до 0,08%, фосфор до 1,8%), а иногда и легирующие элементы (хром, алюминий и др.). Как правило, хрупок. Основная масса чугуна (свыше 85%) перерабатывается в , остальная — применяется для изготовления фасонного литья.

Чугун (тюрк.) — сплав Fe (основа) с С (обычно 2-4%), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы (Cr, никель , V, Al и др.); как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах. Основная масса чугуна (св. 85%) перерабатывается в сталь (передельный чугун), остальная применяется для изготовления фасонного литья (литейный чугун). По микроструктуре различают серый чугун (углерод в виде пластинчатого или шаровидного графита), белый чугун (углерод в виде цементита) и ковкий чугун, получаемый отжигом белого чугуна (хлопьевидный графит).

Виды чугунов. Бе́лый чугу́н — вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30%) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна — из сложных карбидов и легированного феррита.

Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Наличие в части их сечения структуры, отличной от структуры белого чугуна, понижает эти свойства. Прочность белого чугуна снижается с увеличением содержания в нём углерода, а следовательно, и карбидов. Твёрдость белого чугуна возрастает с ростом доли карбидов в его структуре, а следовательно, и с увеличением содержания углерода.

Наивысшую твёрдость имеет белый чугун с мартенситной структурой основной металлической массы. Коагуляция карбидов резко снижает твёрдость чугуна.

При растворении в карбиде железа примесей и образовании сложных карбидов твёрдость их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество карбидов и интенсивнее иных элементов увеличивающего твёрдость чугуна.

C — никель — P — Mn — Cr — Mo — V — Si — Al — Cu — Ti — S.

Действие никеля и марганца, а отчасти хрома и молибдена, обуславливается их влиянием на образование мартенситно — карбидной структуры и содержание их в количествах, соответствующих содержанию в чугуне углерода, обеспечивает максимальную твёрдость белого чугуна.

Особо высокий твёрдостью НВ 800-850 обладает чугун с содержанием 0,7-1,8% бора. Белый чугун является весьма ценным материалом для деталей, работающих в условиях амортизации при очень высоких удельных давлениях и преимущественно без смазки.

Прямая зависимость между износостойкостью и твёрдостью отсутствует; твёрдость не определяет износостойкость, но должна учитываться в совокупности со структурой чугуна. Лучшей износостойкостью обладает белый чугун с тонким строением основной металлической массы, в которой в виде отдельных мелких и равномерно распределённых включений или в виде тонкой сетки расположены карбиды, фосфиды и пр.

Структура основной металлической массы определяет и специальные свойства легированного чугуна — его коррозионную стойкость, жаропрочность, электросопротивление.

В зависимости от состава и концентрации легирующих элементов, основная металлическая масса легированного белого чугуна может быть карбидо — аустенитной, карбидо — перлитной и, помимо этого, содержать легированный феррит.

Основным легирующим элементом при этом является хром, связывающий углерод в карбиды хрома и сложные карбиды хрома и железа.

Твёрдые растворы этих карбидов обладают высоким электродным потенциалом, близким к потенциалу второй структурной составляющей основной металлической массы чугуна — хромистого феррита, а возникающие защитные окисные плёнки определяют повышенную коррозионную стойкость высокохромистого белого чугуна.

В присутствии хрома как дополнительного компонента существенно повышается температурная стойкость карбидов в связи со значительным замедлением диффузионных процессов при комплексном легировании.

Эти характерные особенности легированного белого чугуна определили области его использования в зависимости от структуры в качестве нержавеющего и магнитного чугуна и чугуна с высоким электросопротивлением.

Чугун серый — сплав железа с графитом, который присутствует в виде пластинчатого или волокнистого графита.

Энциклопедия инвестора . 2013 .

Смотреть что такое «Чугун» в других словарях:

ЧУГУН — (тюрк.) сплав Fe (основа) с С (обычно 2 4%), содержащий постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а иногда и легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.); как правило, хрупок. Получают из железорудных материалов в доменных печах. Основная масса чугуна (св … Большой Энциклопедический словарь

ЧУГУН — муж. первая выплавка из железной руды, из коей, перекалкой и отжимкой под кричным молотом, добывается железо. Белый чугун, жесткий и хрупкий; серый и черный, мягкий. | Чугун, чугунец, чугунок, чугунчик, чугунища, чугунник, литой чугунный горшок… … Толковый словарь Даля

ЧУГУН — ЧУГУН, общее обозначение различных форм железа, прежде всего, это серый чугун и болванки (сразу после выхода из ДОМЕННОЙ ПЕЧИ). Сюда относится целый ряд сплавов железа с углеродом и кремнием; содержание углерода колеблется от 1,7 до 4,5%,… … Научно-технический энциклопедический словарь — ЧУГУН, а, м. 1. Дурак, идиот, тупица. чугун партийный. 2. Голова … Словарь русского арго

ЧУГУН — (тюркское), сплав железа (основа) с углеродом (2 4,5%), содержащий постоянные примеси (марганец до 1,5%, кремний до 4,5%, сера до 0,08%, фосфор до 1,8%), а иногда и легирующие элементы (хром, никель, алюминий и др.). Как правило, хрупок. Основная … Современная энциклопедия

ЧУГУН — ЧУГУН, чучгуна, муж. 1. только ед. Железо, содержащее некоторую примесь углерода, получаемое выплавкой из железной руды в доменной печи, более хрупкое и менее ковкое, чем сталь. 2. Горшок, сосуд из такого металла. «Пришли бабы, поставили чугуны и … Толковый словарь Ушакова

ЧУГУН — ЧУГУН, а, муж. 1. Сплав железа с углеродом и нек рыми другими элементами, более хрупкий и менее ковкий, чем сталь. 2. Сосуд округлой формы из такого сплава. Поставить ч. в печь. | уменьш. чугунок, нка, муж. (ко 2 знач.). Ч. со щами. | прил.… … Толковый словарь Ожегова

ЧУГУН — твердый хрупкий сплав железа с углеродом при содержании последнего от 2 до 5%; сопротивление на разрыв 8 12 кг/мм2; выплавляется в доменных печах непосредственно из железной руды в виде полуфабриката чушковый Ч.), идущего на литье или переделку в … Технический железнодорожный словарь

Сплав чугуна

К атегория:

Структура белого чугуна. Белые чугуны кристаллизуются по диаграмме состояния системы сплавов железо — цементит. Мы уже отмечали, что при охлаждении сплава с содержанием 4,3% С в точке С диаграммы образуется эвтектика цементита и аустенита — ледебурит. При охлаждении от точки С до линии РК аустенит, ледебурита будет распадаться с выделением вторичного цементита, и концентрация углерода в этом аустените будет уменьшаться от 2,0 до 0,8% (в соответствии с линией ES), а в точке Агх произойдет перлитное превращение оставшегося аустенита.

Рис. 1. Микроструктура эвтектического чугуна (ледебурита); Х200

Рис. 2. Микроструктура доэвтектического чугуна (3% С); Х200

Рис. 3. Микроструктура заэвтектического чугуна (5% С); X 200

Следовательно, при температуре ниже Агх ледебурит будет состоять из цементита и перлита.

Микроструктура ледебурита приведена на рис. 1. Здесь темные пластинки и зернышки распавшегося аустенита рассеяны по белому полю эвтектического цементита. Чугуны, содержащие 4,3% С, называются эвтектическими.

В доэвтектическом чугуне (3%) в точке ах из жидкого раствора выделяются кристаллы аустенита. Между точками ах и Ьг кристаллы аустенита растут, а концентрация углерода в маточном растворе увеличивается до эвтектического состава (4,3%).

В- структуру охлажденного доэвтектического чугуна входит ледебурит и распавшийся избыточный аустенит. На рис. 2 приведена микроструктура доэвтектического чугуна.

Рис. 4. Диаграмма структурных составляющих цементитной системы

При охлаждении заэвтектического чугуна (5% С) в точке а2 (рис. 64) начинается кристаллизация цементита. Между точками а2 и Ь2 кристаллы цементита растут, а концентрация углерода в маточном растворе уменьшается до эвтектического состава (4,3%); в точке Ь2 происходит затвердевание всего оставшегося раствора с образованием ледебурита. Далее, между точками Ь2 и с2 происходит вторичная кристаллизация аустенита, входящего в состав ледебурита.

В структуру охлажденного заэвтектического чугуна входят цементит (первичный) и ледебурит. На рис. 3 приведена микроструктура заэвтектического чугуна; здесь кристаллы избыточного (первичного) цементита расположены в виде игл на поле ледебурита. Заэвтектические чугуны как технические сплавы применяются редко ввиду их чрезмерной хрупкости.

Рис. 5. Диаграмма состояния цементитной и графитной систем

На рис. 73 приведена диаграмма Fe — Fe3C (цементитная), наглядно характеризующая структурные составляющие системы.

Значительное количество твердого и хрупкого цементита в составе белых чугунов является причиной того, что эти чугуны трудно поддаются механической обработке. Они применяются для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун, а также для отливки прокатных валков и вагонных колес, причем как в валках, так и в колесах белый чугун образуется не во всей толще, а лишь в поверхностном слое; внутри отливки образуется серый чугун.

Структура серого чугуна. При весьма медленном охлаждении сплавов железо — углерод происходит выделение графита. Для этого случая на диаграмме, кроме сплошных линий знакомой уже нам системы железо — цементит, нанесены пунктирные линии системы железо — графит, несколько смещенные влево вверх (соответственно изменяется положение критических точек по концентрации и температуре). Таким образом, получаются как бы две диаграммы, наложенные друг на друга, цементитная метастабильная (относительно устойчивого равновесия) и графитная стабильная (абсолютно устойчивого равновесия).

В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны. Серый чугун, состоящий из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит (рис. 6).

Весь углерод в виде графита выделяется лишь при очень медленном охлаждении сплава; если же скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и вторичной) увеличивается, выделяется не графит, а цементит.

Рис. 6. Микроструктура ферритного чугуна (X 150)

Рис. 7. Микроструктура ферритно-перлит-ного чугуна (Х150)

Рис. 8. Микроструктура перлитного чугуна (X 150)

Так, при увеличении скорости охлаждения около линии P’S‘K’ выделение графитного эвтектоида прекращается и оставшийся углерод переходит (по линии PSK ) в цементит, в результате чего образуется некоторое количество перлита. Такой чугун будет иметь основу доэв-тектоидной стали (феррит и перлит), испещренную чешуйками графита; он называется феррито-перлитным чугуном.

Если скорость охлаждения увеличивается до линии P’S‘K’, то выделения графитного эвтектоида не произойдет, а аустенит по линии PSK превратится в перлит. Такой чугун будет иметь основу эвтектоидной стали (перлит) и графитные включения в форме чешуек; он называется перлитным чугуном (рис. 8).

Если скорость охлаждения увеличивается между линиями эвтектического и эвтектоидного превращения, то еще до перлитного превращения из аустенита будет выделяться не графит, а цементит. Такой чугун имеет основу заэвтектоидной стали (перлит и цементит вторичный) и включения графита; он называется перлито-цементит-н ы м чугуном. Таким образом, серые чугуны имеют структуру стали, испещренную включениями графита.

Рис. 9. Диаграмма структурных составляющих графитной системы

Иногда в структуре чугуна, наряду с графитом, имеется ледебурит (скорость охлаждения увеличилась при эвтектическом превращении). Такой серо-белый чугун называют половинчатым.

На рис. 9 приведена диаграмма Fe-С (графитная), наглядно характеризующая структурные составляющие системы.

Серый чугун применяется исключительно для производства отливок и называется поэтому литейным.

Влияние примесей на свойства чугуна. Болтая часть углерода в сером чугуне находится в виде чешуек графита, чем частично разобщает металлическую сплошность сплава и вызывает хрупкость. Содержание углерода в сером чугуне не должно превышать 4%. Наиболее прочные чугуны содержат 2,8-3% углерода. Процесс выделения графита сопровождается увеличением его объема, что понижает общую усадку чугуна до 1%. Кроме того, при увеличении содержания углерода чугун становится более жидкотекучим. Вследствие этого углерод повышает литейные свойства и позволяет получать качественное тонкостенное литье.

Кремний является элементом, который способствует получению серого чугуна. Он образует с железом химические соединения (FeSi и Fe3Si3) и способствует выделению графита. Таким образом, увеличение количества кремния в чугуне приводит к уменьшению в нем карбидов железа и, следовательно, к улучшению обрабатываемости его режущими инструментами. Кроме того, кремний увеличивает жидкотекучесть, понижает температуру плавления и способствует замедлению охлаждения чугуна. Количество кремния в сером чугуне колеблется в пределах от 0,75 до 3,75%.

Марганец увеличивает устойчивость карбидов железа (Fe3C) при затвердевании и охлаждении чугуна, что способствует получению белого чугуна. Присутствие марганца в сером чугуне также допускается в количестве до 1,3%, так как марганец повышает прочность чугуна, парализует вредное влияние серы, а также улучшает жидкотекучесть чугуна.

Сера понижает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, плохо заполняющим форму, противодействует выделению графита и придает чугуну хрупкость. Поэтому она является вредной примесью. Предельно допустимое содержание серы в чугуне 0,07%.

Фосфор создает в чугуне твердую и хрупкую фосфидную эвтектику, поэтому в отливках деталей машин, подверженных ударным нагрузкам, его содержание не должно превышать 0,3%. В отливках, работающих на истирание, твердые участки фосфидной эвтектики повышают их износоустойчивость; в таких отливках допускается содержание фосфора до 0,7-0,8%. Фосфор, кроме того, понижает температуру плавления чугуна, сильно увеличивает его жидкотекучесть и уменьшает усадку. Это позволяет получать из фосфористого чугуна тонкие отливки с чистой и гладкой поверхностью. Поэтому чугун, содержащий до 1,2% фосфора, применяется для художественного литья, труб и т. д.

Маркировка серого чугуна. Отливками из серого чугуна называются литые изделия, получаемые путем переплавки в вагранках или иных плавильных агрегатах доменных чушковых чугунов, чугунного и стального лома с последующей заливкой полученного жидкого металла в литейные формы. Таким образом, чугун в отливках есть чугун вторичной плавки. По ГОСТ чугун в отливках маркируется буквами СЧ с добавлением двух чисел; первое из них указывает предел прочности при растяжении, второе — предел прочности при изгибе в кг/мм2, устанавливаемый при специальных испытаниях на изгиб круглых образцов.

ГОСТ установлены следующие марки чугуна в отливках: СЧОО (испытание механических свойств не производится), СЧ12-28, СЧ15-32, СЧ18-36, СЧ21-40, СЧ24-44, СЧ28-48, СЧ32-52, СЧ35-56, СЧ38-60.

Механические свойства чугуна обусловливаются строением его металлической основы, а также количеством, формой и характером расположения включений графита.

Лучшими механическими свойствами обладает перлитный чугун, содержащий графит в виде мелких равномерно рассеянных чешуек; особенно повышенные свойства получаются при округлых (глобулярных) включениях графцта.

Для повышения прочности чугунов производится их легирование (никелем, хромом, молибденом, медью и др.), а также модифициро-вгшйе и термическая обработка (отжиг, закалка и отпуск).

Модифицированный чугун. Размер и форма графитовых включений зависят от наличия в жидком чугуне центров кристаллизации, от скорости охлаждения и содержания графитообразующих примесей. Чем больше в жидком чугуне нерастворимых мелких частичек (центров кристаллизации), тем мельче будет графит. Для увеличения количества центров кристаллизации в жидкий чугун перед разливкой по формам вводят вещества, называемые модификаторами. В качестве модификаторов применяют алюминий, кальций, кремний, которые соединяются с растворенным в жидком чугуне кислородом и образуют окислы А1203, СаО или Si02. Эти окислы находятся в чугуне во взвешенном состоянии и являются центрами кристаллизации.

Модифицированный чугун имеет повышенную прочность, соответствующую высшим маркам серого чугуна СЧ32-52, СЧ35-56, СЧ38-60, лучшую стойкость против трещин, меньшую хрупкость. Для модифицирования выплавляют чугун с содержанием 2,6-3,2% С и 1,1 — 1,6% Si.

Высокопрочный чугун. Дальнейшее повышение прочности и пластичности чугуна достигается модифицированием, обеспечивающим получение глобулярного (сфероидального) графита вместо пластинчатого. Графит сфероидальной формы имеет меньшее отношение его поверхности к объему и тем самым определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, и прочность чугуна. Такая форма графита получается при присадках в жидкий чугун магния (Mg) или церия (Се). Высокопрочный чугун имеет ферритную или перлитную основу (или их сочетание). Ферритный чугун имеет повышенную пластичность 6 = 5 — 10% (у обычного чугуна 0,2-0,5%) и ударную вязкость ан = 2-3 (у обычного чугуна 0,2-0,5).

ГОСТ устанавливает следующие марки высокопрочного чугуна в отливках: ВЧ45-0; ВЧ50-1.5; ВЧ60-2; ВЧ45-5 и ВЧ40-10 (получается отжигом из чугуна ВЧ45-5). Первое число указывает предел прочности при растяжении (апч) второе — удлинение (б) в %.

Еще более высокая прочность достигается при модифицировании легированного чугуна.

В настоящее время высокопрочный чугун начинают применять вместо стали для изготовления коленчатых валов, шестерен, муфт и вместо ковкого чугуна_(см. ниже) для изготовления задних мостов автомобилей, ступиц, картеров и др.

Ковкий чугун. Ковкий чугун — условное название мягкого и вязкого чугуна, получаемого из белого чугуна специальной термической обработкой; ковке его не подвергают, но он обладает более высокой по сравнению с серым чугуном пластичностью, поэтому и получил такое наименование. Ковкий чугун, как и серый, состоит из сталистой основы и содержит углерод в виде графита, однако характер графитовых включений в ковком чугуне иной, чем в обычном сером чугуне. Разница в том, что графит ковкого чугуна находится в виде включений округленной формы, расположенных изолированно друг от друга, в результате чего металлическая основа менее разобщена, и сплав обладает значительной вязкостью и пластичностью.

Свойства ковкого чугуна зависят от величины графитных включений (чем меньше эти включения, тем прочнее чугун), но прежде всего они определяются структурой его металлической основы, которая, так же как и в сером чугуне, может быть ферритной, перлитной или смешанной.

В зависимости от состава чугуна и способа термической обработки можно получить два вида ковкого чугуна: черносердечный и белосер-дечный.

Для получения черноеердечного ковкого чугуна отливки из белого чугуна закладываются в ящики и засыпаются песком (нейтральная среда). Ящики помещают в печь и нагревают до температуры 900-950 . При этой температуре происходит распадение эвтектического цементита; это первая стадия графитизации. Далее производят медленное охлаждение с переходом через точку Агх для полной или частичной графитизации эвтектоидного цементита: это вторичная стадия графитизации. Обычно при данном способе доводят цементит до полного разложения, и структура ковкого чугуна представляет феррит с включениями графита, который называют углеродом отжига (рис. 79). В изломе такой чугун имеет черный цвет, поэтому его принято называть черносердечным. Операция отжига на черносердечный чугун длится 37-50 час.

По ГОСТ ковкий чугун обозначают буквами КЧ с добавлением двух чисел: первое из них указывает наименьшее допустимое значение предела прочности (Опч) — второе — такое же значение относительного удлинения (6). ГОСТ установлены следующие марки черносердечного чугуна: КЧЗО -6, КЧЗЗ -8, КЧ35-10, “КЧ37-12, КЧ45-6, КЧ50-4, КЧ56-4, КЧ60-3 и КЧ63-2.

Для получения белосердечного чугуна производится обезуглероживающий отжиг («томление»). Отливки помещают в ящики с рудой или окалиной (окислительная среда).

Выдержка при температуре 900” (первая стадия) занимает большую часть времени всего процесса. В первой стадии углерод отжига из поверхностных слоев

детали в значительной степени выгорает. Вторая стадия — перевод через точку Агх и охлаждение — при этом способе происходит относительно быстро, в результате чего металлическая основа в этом чугуне большей частью представляет перлит. В изломе такой чугун светлый, поэтому его принято называть белосердечным.

В последние годы на заводах СССР с успехом применяется ускоренный отжиг на ковкий чугун, при котором отливки простой конфигурации из белого чугуна подвергаются закалке от температуры 850-900°. Графитизация закаленных чугунов при последующем отжиге протекает значительно быстрее вследствие наличия большого количества центров графитизации, выпадающих при закалке. Время отжига закаленных отйивок в обычнцх камерных печах сокращается до 6-12 час., а в специальных агрегатах — до 1 часа.

Ковкий чугун по сравнению со сталью — более дешевый материал; он обладает хорошими механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Потому ковкий чугун широко применяется в сельскохозяйственном машиностроении (зубчатые колеса, звенья цепеА и пр.), в автомобильной и тракторной промышленности (задние мосты, картеры дифференциалов и др.), вагоностроении (части тормозов, кронштейны и др.), станкостроении и во многих других отраслях промышленности.

Материаловедение и технологии материалов что за профессия. Материаловедение и технология материалов

Такая специальность, как «Материаловедение и технология материалов» в последнее время стала пользоваться спросом среди абитуриентов. Рассмотрим основные особенности данного направления, его характеристики.

Область профессиональной деятельности специалистов

Направление «Материаловедение и технология материалов» включает:

• исследование, разработку, использование, модификацию, эксплуатацию, утилизацию материалов органической и неорганической природы разного направления;
• технологии их создания, структурообразования, обработки;
• управление качеством для приборостроения и машиностроения, ракетной и авиационной техники, бытовой и спортивной техники, медицинского оборудования.

Объекты деятельности магистров

Специальность «Материаловедение и технология материалов» связана со следующими объектами деятельности:

• с основными типами функциональных органических и неорганических материалов; гибридными и композитными материалами; нанопокрытиями и полимерными пленками;
• средствами и способами диагностики и испытаний, исследованиями и контролем качества пленок, материалов, покрытий, заготовок, полуфабрикатов, изделий, все разновидности испытательного и контрольного оборудования, аналитической аппаратуры, программного компьютерного обеспечения для обработки результатов, а также анализа данных;
• технологическими производственными процессами, обработкой и модификацией покрытий и материалов, оборудования, технологической оснасткой, системами управления производственными цепочками.

Специальность «Материаловедение и технология материалов» предполагает владение навыком анализа нормативно-технической документации, систем сертификации изделий и материалов, отчетной документацией. Магистр должен знать документацию по безопасности жизнедеятельности и по технике безопасности.

Направления подготовки

Специальность «Материаловедение и технологии материалов» связана с подготовкой по следующим видам профессиональной деятельности :

• Научно-исследовательской и расчетно-аналитической работы.
• Производственной и проектно-технологической деятельности.
• Организационно-управленческого направления.

Получив специальность «материаловедение и технологии материалов», кем работать? Выпускник, который успешно проходит итоговую аттестацию, получает квалификацию «магистр-инженер». Он может трудоустроиться в различные компании, чтобы осуществлять расчетно-аналитическую и научно-исследовательскую деятельность.

Кроме того, специальность «Материаловедение и технология новых материалов» дает возможность проводить научные и прикладные эксперименты, участвовать в процессах создания и испытания инновационных материалов, новых изделий.

Магистры, имеющие подобную квалификацию, занимаются разработкой рабочих планов, программ, методик, направленных на создание технологических рекомендаций для внедрения инноваций в производственный процесс, занимаются подготовкой определенных заданий для рядовых работников.

Специфика направления

Специальность «материаловедение и технология конструкционных материалов» предполагает подготовку публикаций, обзоров, научно-технических отчетов по итогам проведенных исследований. Такие специалисты проводят систематизацию научной, инженерной, патентной информации по проблеме исследования, отзывов и заключений на внедренные проекты.

Инженеры, которые освоили направление «материаловедение и технологии материалов», занимаются не только проектно-технологической, но и производственной деятельностью.

Особенности направления

Инженеры, получившие подобную специализацию, занимаются подготовкой заданий на разработку проектной документации, проводят патентные исследования, направленные на создание инновационных направлений. Они ищут оптимальные варианты переработки и обработки различных материалов, устройств, установок, их технологического оснащения с помощью автоматических систем проектирования.

Дипломированные специалисты проводят оценку экономической рентабельности определенного технологического процесса, принимают участие в проведении анализа альтернативных способов производства, организуют обработку и переработку продукции, участвуют в процессе сертификации изделий, технологий.

Специфика обучения

Бакалавры в этом профиле обучаются следующим навыкам:

• подбирать информацию об имеющихся материалах, используя базы данных, а также разнообразные литературные источники;
• анализировать, отбирать, оценивать по эксплуатационным характеристикам материалы, выполняя при этом структурный комплексный анализ;
• коммуникативным навыкам, а также умению работать в команде;
• собирать информацию в сфере осуществляемых экспериментов, составлять отчеты, обзоры, определенные научные публикации;
• оформлять документы, записи, протоколы опытов.

Бакалавры имеют навыки проверки создаваемых проектов на полное соответствие всем законодательным нормативам. Они проектируют высокотехнологические процессы, предназначенные для начальных исследовательских и проектно-технологических структур, организуют и оснащают рабочие места необходимым оборудованием.

Обязанности

Обладатели диплома с направлением «материаловедение и технология материалов», обязаны проводить диагностику оборудования. Особое внимание они уделяют экологической безопасности на рабочих местах. При разработке технических заданий для создания определенных узлов в сложных механизмах, инженеры учитывают их эксплуатационные особенности.

После завершения работ, проводят проверку соответствия полученных результатов заявленным условиям, безопасность работы созданных механизмов. Именно эти специалисты занимаются подготовкой документов для регистрации новых изображений, составляют специальную техническую документацию.

Очень часто свой профессиональный путь выпускники начинают с должности «инженер по химическому и спектральному анализу», а также «инженер-испытатель покрытий и материалов».

Заключение

Получив специальность «Материаловедение и технологии материалов», у новоиспеченного специалиста не возникнет проблем с трудоустройством. Он может стать инженером на любом крупном заводе или комбинате. Те специалисты, которые имеют определенные познания в области обработки металлов и диплом о высшем образовании, могут рассчитывать на должности технолога-термиста и дефектоскописта.

Достаточное количество промышленных предприятий и организаций тяжелой промышленности нуждаются в металлургах и металлографах. Если изначально овладеть теоретическими знаниями в сфере обработки металлов, в таком случае можно сначала трудоустроиться на должность инженера, продолжить обучение, получив специализацию «инженер по химическому и спектральному анализу» либо «инженер-испытатель покрытий».

Специальность «Материаловедение и технологии материалов» настоящее время стала одной из основных дисциплин для тех студентов, которые занимаются машиностроением.

Студенты изучают ассортимент тех материалов, которые уже используются в тяжелой промышленности, а также прогнозируют создание новых веществ, предназначенных для металлургической отрасли.

Материаловедение и технология материалов

Дисциплина «Материаловедение и технология материалов» является одной из основных дисциплин общетехнической подготовки инженера пожарной безопасности по специальности 330400 и базируется на таких дисциплинах Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования , как физика, химия, математика, инженерная графика и прикладная механика .

Дисциплина состоит из двух разделов, структурно и методически согласованных между собой, что позволяет слушателям не только познать природу машиностроительных материалов, но и изучить их свойства в зависимости от химического состава, структуры и последующих обработок. Весьма важным можно считать ознакомление с традиционными и новыми технологическими процессами получения металлических и неметаллических материалов, а также технологиями получения заготовок и готовых изделий.

Контрольная работа предполагает самостоятельную разработку слушателями маршрутной технологии изготовления конкретного изделия с учетом всех возможных переделов металлургического производства. Учебный материал необходимо рассмотреть в последовательности, в которой он изложен в методических указаниях. Перед изучением каждой темы внимательно прочитайте данные указания. Затем, используя предложенную литературу, проработайте учебный материал с обязательным составлением конспекта. После изучения каждой темы ответьте на вопросы для самопроверки.

Методические указания по программе дисциплины

Приступая к изучению курса, необходимо уяснить роль металлургического и машиностроительного производства в создании материально-технической базы страны и ознакомиться с направлениями технического прогресса этих отраслей промышленности.

После изучения курса слушатель должен знать основные виды конструкционных материалов, способы их производства, а также технологические процессы формообразования изделий и деталей из конструкционных материалов.

Конструкционными называют материалы, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Понятие «конструкционные материалы» включает в себя черные и цветные металлы, подразумевает большой ассортимент неметаллических материалов, таких как пластические массы, резиновые материалы, а также силикатные стекла, ситаллы и керамика. В особую группу конструкционных материалов выделяют композиционные материалы, материалы и изделия порошковой металлургии . Конструкционные материалы должны отвечать определенным требованиям с учетом их механических, физико-химических, технологических и эксплуатационных свойств.

Особое внимание при изучении курса следует уделить возможностям получения одного вида продукции различными способами получения и умению провести технико-экономическое сравнение этих способов.

Вопросы для самопроверки

1. Какие металлы и сплавы относятся к цветным?

2. Какие металлы и сплавы относятся к черным?

3. Перечислите основные группы неметаллических конструкционных материалов.

Раздел 1. ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

Технология конструкционных материалов представляет собой совокупность знаний о способах производства материалов и технологии их переработки с целью изготовления заготовок и изделий различного назначения. В этот раздел системно и связно входят разнообразные переделы современного производства, позволяющие с разной точностью обработки и качеством поверхности формообразовывать материалы как на металлической, так и на неметаллической основах.

Тема 1. Основы металлургического производства

Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных производств, базирующихся па месторождениях руд, коксующихся углей, энергетических мощностях

Слушатель должен уяснить схему современного металлургического производства с учетом всех возможных основных и вспомогательных переделов. Необходимо знать основные виды продукции черной и цветной металлургии .

1.1 Физико-химические основы металлургического производства

В природе практически все металлы из-за их большой химической активности находятся в связанном состоянии в виде различных химических соединений. Рудой называется природное минеральное сырье, содержащее металл, извлечь который можно экономически выгодным промышленным способом. Задачей металлургии является получение металлов и металлических сплавов из руд и других исходных материалов. Для этого в зависимости от природы металла и вида исходного сырья возможно применение различных способов. Разберите сущность восстановления, электролиза и металлотермии в металлургическом производстве. Рассмотрите основные материалы, используемые при получении металлов из руд (промышленная руда, флюсы, топливо, огнеупорные материалы).

Вопросы для самопроверки

1. Структура современного металлургического производства.

2. Материалы для производства металлов и сплавов.

3. Основные виды металлургических процессов.

1.2. Производство чугуна

Для выплавки чугуна главным образом используют доменное производство. При изучении процесса получения чугуна необходимо рассмотреть устройство доменной печи и вспомогательных агрегатов. Исходными материалами для производства чугуна являются железные и марганцевые руды, флюс и топливо. При изучении характеристик железных руд следует усвоить, что металлургическая ценность руды определяется содержанием железа в руде, возможностью обогащения руды, наличием вредных примесей, физическим состоянием руды (пористость, крупность кусков), составом пустой породы. К основным операциям подготовки руды к плавке относятся дробление, обогащение, окускование.

Большое значение для металлургических процессов имеют флюсы, т. е. вещества, добавляемые при плавке руд для понижения температуры плавления пустой породы и получения жидкотекучего шлака. Кроме того, флюсы способствуют рафинированию металла от вредных примесей и удалению золы кокса. Разберите, какие флюсы применяют в доменном производстве.

Процессы производства чугуна протекают при высоких температурах. Следует изучить свойства и требования, предъявляемые к доменному топливу. Необходимо также ознакомиться с видами огнеупорных материалов (кислых, основных, нейтральных).

Физико-химическая сущность доменного процесса состоит в следующем. В доменной печи железо должно быть отделено от пустой породы, восстановлено до металлического состояния и, наконец, для снижения температуры плавления соединено с правильно подобранным количеством углерода. Для осуществления этих изменений требуется проведение сложных процессов: 1) горения топлива; 2) восстановления окислов железа и других элементов; 3) науглероживания железа; 4) шлакообразования. Эти процессы протекают в печи одновременно, но с разной интенсивностью и на разных уровнях печи. Рассмотрите каждый из этих процессов.

Продуктами доменного производства являются чугуны и ферросплавы различных марок, доменный шлак, колошниковый газ.

Работы по улучшению показателей доменного производства ведутся по нескольким направления: 1) улучшение конструкции печей; 2) улучшение подготовки шихтовых материалов; 3) интенсификация доменного процесса; 4) совершенствование систем комплексной механизации и автоматизации управления доменным процессом.

Вопросы для самопроверки

1. Расскажите о технологических процессах подготовки руды к производству.

2. Какова роль флюса в доменном производстве?

3. Какие виды топлива применяются в доменной печи?

4. Классификация огнеупорных материалов.

5. Физико-химические процессы, протекающие в доменной печи.

6. Начертите схему внутреннего профиля доменной печи и назовите главные ее части. Укажите примерные температуры в различных участках доменной печи.

7. Для чего и в каких агрегатах подогревается воздух, подаваемый в доменную печь?

8. Что достигают применением дутья, обогащенного кислородом, а также увлажнением дутья?

9. Назовите продукты доменной плавки и укажите области их применения.

10. Расскажите о мероприятиях по увеличению производительности доменной печи.

1.3. Производство стали

Основным исходным материалом для производства стали являются: передельный чугун и стальной лом (скрап).

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода, кремния, марганца, серы и фосфора. Удаление примесей, т. е. передел чугуна в сталь, происходит за счет окислительных реакций, которые протекают при высоких температурах. Поэтому все способы переработки чугуна в сталь сводятся в основном к воздействию на чугун кислорода при высоких температурах. Однако в процессе избирательного окисления углерода и других примесей расплавленное железо также поглощает некоторое количество кислорода, которое отрицательно влияет на качество готовой стали. Поэтому на последней стадии сталеплавильного процесса избыточный кислород связывают в окислы других металлов и удаляют в шлак, т. е. осуществляют раскисление добавкой кремния, марганца и алюминия .

Переделывать чугун в сталь можно в различных металлургических агрегатах. Основными из них являются кислородные конверторы, мартеновские печи и электропечи.

Ознакомьтесь с устройством этих агрегатов, принципом их действия, особенностями технологического процесса получения стали в них, технико-экономическими показателями их работы.

В ряде случаев готовая сталь не всегда может удовлетворять предъявляемым к ней требованиям. Для получения сталей особо высокого качества применяют специальные способы: разливку стали в инертной атмосфер; обработку синтетическим шлаком; вакуумную дегазацию; электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой и плазменно-дуговой переплавы. Изучите эти способы.

В настоящее время практически все сталеплавильные процессы являются циклическими, прерывистыми. Замена прерывистого процесса непрерывным позволяет увеличить производительность агрегатов, повысить качество стали. Ознакомьтесь с принципом действия сталеплавильных агрегатов непрерывного действия.

К прогрессивным способам получения стали (железа) относятся внедоменные способы, которые дают возможность получать непосредственно из руды, минуя доменную печь, металлическое железо в виде губки, крицы или жидкого металла. Необходимо изучить схемы и особенности этих процессов.

Готовую сталь подвергают разливке с целью получения заготовок. Следует ознакомиться с устройством разливочного ковша и изложниц, а также с основными способами разливки стали: разливкой сверху, разливкой сифоном, непрерывной разливкой. Перечисленными способами получают заготовки, которые в дальнейшем идут на изготовление деталей различными технологическими способами. Большое влияние на свойства заготовок оказывает строение металлических слитков, получаемых в изложницах. Изучите строение слитков спокойной и кипящей стали.

Вопросы для самопроверки

1. Укажите основные различия в химическом составе чугуна и слали.

2. Расскажите о физико-химической сущности передела чугуна в сталь,

3. Назначение процесса раскисления стали.

4. Кислородно-конверторный способ производства стали. Его особенности и преимущества.

5. Устройство мартеновской печи и принцип ее работы.

6. Особенности производства стали в мартеновских печах.

7. Получение стали в дуговых и индукционных электропечах.

8. Какими технико-экономическими показателями характеризуется получение стали в конверторах, мартеновских и электрических печах? Какой из этих способов получения является экономически более выгодным и почему?

9. Перечислите и охарактеризуйте способы получения высококачественных сталей.

10. Сталеплавильные агрегаты непрерывного действия: устройство, принцип действия.

11. Расскажите о внедоменных способах получения стали (железа).

12. Устройство разливочного ковша и изложниц.

13. Способы разливки стали в изложницы.

14. Преимущества процесса непрерывной разливки стали.

15. Строение слитка спокойной и кипящей стали.

1.4. Производство цветных металлов

Производство меди. Медь в природе содержится в виде окисных и сульфидных соединений. Разработаны гидрометаллургический и пирометаллургический способы извлечения меди из медных руд. Изучите пирометаллургический способ получения меди, ознакомьтесь с физико-химической сущностью каждого этапа в технологической схеме производства меди.

Производство алюминия. По объему производства алюминии занимает второе место в мире после железа. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы Алюминий получают путем электролиза глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Это сложный и энергоемкий процесс. Разберите схему получения алюминия и способы его рафинирования.

Производство титана. Титан обладает целым рядом ценных свойств: малым удельным весом, высокими механическими свойствами, хорошей коррозионной стойкостью. По этим показателям титан и его сплавы значительно превосходят многие металлические материалы. Однако широкое использование титана в современной технике сдерживается высокой стоимостью этого металла вследствие чрезвычайной сложности извлечения его из руд. Один из наиболее распространенных способов получения титана — магнийтермический способ. Изучите этот способ производства титана.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные руды меди.

2. Расскажите о методах обогащения медных руд.

3. Приведите упрощенную схему производства меди.

4. Приведите промышленную схему производства алюминия

5. Что является сырьем для получения глинозема и криолита?

6. Назовите основные руды титана.

7. Опишите сущность магнийтермического способа производства титана.

1.5 Безотходные и ресурсосберегающие технологии в

металлургическом производстве

В создании безотходных и малоотходных технологий в металлургическом производстве можно выделить следующие направления:

1. Комплексное использование металлических руд. Например, из медных руд при пирометаллургическом способе производства меди извлекают не только медь но и золото, серебро, селен, теллур; из титаномагнетитов получают наряду с титаном и железо.

2. Использование материалов попутной добычи. Оказывается, что около 70% вскрышных и шахтных пород, идущих в отвалы при добыче полезных ископаемых , годны для получения флюсов, огнеупорных и строительных материалов . В настоящее время используются только 3-4% таких материалов.

3. Использование отходов коксохимических и металлургических производств. В этих отраслях промышленности остро стоит вопрос о переработке всех отходов в продукцию. В настоящее время реализуются следующие процессы утилизация отходов: в коксохимической промышленности из отходов получают аммиак , лекарства, красители, нафталин и другие вещества; в доменном производстве отходы используют для получения строительных материалов (шлак) и для подогрева воздушного дутья поступающего в доменную печь (колошниковый газ). В процессе производства меди и попутно получают серную кислоту из отходящего сернистого газа.

4. Создание замкнутых циклов. Подразумевается многократное использование тех или иных веществ в производственном цикле. Например, в производстве титана после рафинирования титановой губки оборотный магний снова направляется в производство — на восстановление титана.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите основные направления в создании безотходных технологий.

Тема 2. Основы получения металлических заготовок

Приступая к изучению данного раздела, необходимо уяснить, что формообразование заготовок, деталей и изделий возможно при нахождении металлов и сплавов в различных агрегатных состояниях: в твердом (обработка давлением, механическая обработка, сварка), жидком (литье), газообразном (напыление). Одним из критериев выбора способа формообразования заготовок являются свойства материала заготовок, такие как пластичность, твердость, свариваемость, литейные свойства и целый ряд других.

2.1. Основы технологии литейного производства

Литейным производством называют отрасль машиностроения, занимающуюся изготовлением фасонных деталей путем заливки расплавленного металла в форму, полость которой имеет конфигурацию детали. Основные преимущества и достоинства получения отливок – относительная дешевизна по сравнению с другими способами изготовления деталей и возможность получения изделий самой сложной конфигурации из различных сплавов.

Пригодность сплавов для производства отливок определяется следующими литейными свойствами: жидкотекучестью, усадкой, ликвацией, газопоглощением. Следует ознакомиться с литейными свойствами металлов и сплавов.

В настоящее время существует более 100 различных способов изготовления литейных форм и получения отливок. Причем современные способы получения заготовок литьем достаточно широко обеспечивают заданные точность, параметры шероховатости поверхности, физические и механические свойства заготовок. Поэтому при выборе способа получения заготовки необходимо оценивать все преимущества и недостатки каждого сопоставляемого варианта.

В общем производстве литых заготовок значительный объем занимает литье в песчано-глинистые формы, что объясняется его технологической универсальностью. Этот способ литья экономически целесообразен при любом характере производства, для деталей любых масс, конфигураций, габаритов, для получения отливок практически из всех литейных сплавов. Технологический процесс изготовления литых фасонных изделий в песчано-глинистых формах состоит из значительного числа операций: подготовки формовочной и стержневой смесей, изготовления форм и стержней, заливки форм, освобождения отливок из форм, обрубки и очистки литья. Изменяя способ формовки, используя различные материалы моделей и формовочных смесей, можно получить отливки с достаточно чистой поверхностью и точными размерами.

Изготовление литейных форм из песчано-глинистых смесей — наиболее сложная и ответственная операция. Необходимо изучить технологию изготовления литейных форм при ручной и машинной формовке, ознакомиться с литейной технологической оснасткой. Выбивка и очистка литья — самые трудоемкие и маломеханизированные процессы. Следует запомнить способы выбивки отливок, методы обрубки и очистки литья, ознакомиться с дефектами отливок и мерами по их устранению.

Несмотря на универсальность и дешевизну, способ литья в песчано-глинистые формы связан с большим грузопотоком вспомогательных материалов , повышенной трудоемкостью. Кроме того, до 25% массы отливок превращается в стружку при механической обработке.

По сравнению с литьем в песчано-глинистые формы преимущество специальных видов литья состоит в следующем: в повышении точности и улучшении качества поверхности отливок; уменьшении массы литниковой системы; резком снижении расхода формовочных материалов. Кроме того, технологический процесс изготовления отливок специальными способами легко поддается механизации и автоматизации, что повышает производительность труда, улучшает качество отливок, снижает их себестоимость.

К специальным способам литья относят: литье в оболочковые формы, точное литье по выплавляемым моделям, литье в металлические формы (кокили), центробежное литье, литье под давлением и непрерывное литье в кристаллизаторах. Следует тщательно разобраться в сущности, особенностях и областях применения специальных видов литья.

Вопросы для самопроверки

1. Значение и область применения литейного производства.

2. Классификация способов получения отливок.

3. Основные преимущества получения литых деталей.

4. Литейные свойства сплавов.

5. Формовочные материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней.

6. Какие требования предъявляют к формовочным материалам?

7. Основные операции при получении отливок.

8. Формовка ручная и машинная при литье в песчано-глинистые формы.

9. Назначение и изготовление стержней.

10. Способы выбивки и очистки литья.

11. Охарактеризуйте сущность способа литья но выплавляемым моделям, преимущества и недостатки этого способа.

12. Сущность способа литья в оболочковые формы и его преимущества.

13. Укажите преимущества литья в металлические формы (кокили).

14. Охарактеризуйте сущность способа литья под давлением.

15. Изложите сущность получения фасонных отливок на центробежных машинах.

16. Область применения непрерывного литья.

Вопросы для самопроверки

1. Изложите сущность процесса прессования прямым и обратным методами.

2. Основной инструмент и оборудование при прессовании.

3. Технология процесса прессования.

4. Продукция прессования.

5. Каковы достоинства и недостатки прессования как одного из способов ОМД?

Волочение — деформирование металлических материалов в холодном состоянии. В процессе холодной пластической деформации металл упрочняется (наклепывается). Продукция волочения обладает высокой точностью размеров и хорошим качеством поверхности. Необходимо хорошо разобраться в операциях технологического процесса волочения, особенно в операциях предварительной подготовки металла, изучить инструмент и оборудование волочения, достоинства н недостатки этого метода, знать продукцию волочения.

Вопросы для самопроверки

1. Сущность и особенность процесса волочения.

2. Схемы и принципы работы волочильных станов.

3. Продукция волочения.

Производство гнутых профилей – метод профилирования листового материала в холодном состоянии. В этом случае получают фасонные тонкостенные профили весьма сложной конфигурации и большой длинны. Разберитесь в сущности этого метода и области его применения.

Вопросы для самопроверки

1. Расскажите о технологическом процессе получения гнутого профиля из листовой, заготовки.

Свободная ковка — горячая обработка металлов давлением, при которой деформирование заготовки осуществляется универсальным инструментом. При ковке формоизменение происходит вследствие течения металла в стороны, перпендикулярные к движению деформирующего инструмента — бойка. Ковка является рациональным и экономически выгодным процессом получения качественных заготовок с высокими механическими свойствами в условиях мелкосерийного и единичного производства.

Следует ознакомиться с заготовками, применяемыми при ковке, с операциями свободной ковки и соответствующими инструментами. Рассмотрите оборудование, используемое в каждом случае, достоинства и недостатки свободной ковки.

Вопросы для самопроверки

1. В чем сущность процесса свободной ковки?

2. Что является заготовкой при ковке?

3. Какие Вы знаете операции свободной ковки и какой при этом применяется кузнечный инструмент?

Штамповка — разновидность ковки, позволяющая механизировать и автоматизировать этот процесс. Штамповка бывает горячей и холодной, объемной и листовой. Необходимо изучить основные методы и операции объемной и листовой штамповки, инструмент, оборудование, достоинства и недостатки. Обратите внимание на прогрессивные способы объемной штамповки: поперечно-клиновая вальцовка, ротационное обжатие, штамповка в разъемных матрицах и т. д.

Вопросы для самопроверки

1. Сравните ковку и штамповку. Какой вид обработки более прогрессивный? Почему?

2. Опишите основные этапы технологического процесса горячей объемной штамповки.

3. Каковы исходные заготовки при объемной штамповке?

4. Сравните достоинства и недостатки объемной штамповки в открытых и закрытых штампах.

5. Нарисуйте схемы операций холодной объемной штамповки.

6. Что является исходной заготовкой и продукцией листовой штамповки?

7. Какие операции листовой штамповки вы знаете?

2.3. Основы технологии сварочного производства

Сварка является наиболее прогрессивным, высокопроизводительным и весьма экономичным технологическим способом получения неразъемных соединений. Сварку можно рассматривать как сборочную операцию (особенно в строительной промышленности) и как способ производства заготовок. Во многих областях промышленности широко используют комбинированные сварные детали, которые состоят из отдельных заготовок, выполненных с применением различных технологических процессов, а иногда и различных материалов. Деталь расчленяют на составные части с последующей их сваркой, если изготовление ее цельнолитой или цельнокованой связано с большими производственными трудностями, отсутствием оборудования, усложнением механической обработки или если отдельные части детали работают в особо тяжелых условиях (повышенного изнашивания и температуры, коррозии и т. п.) и их изготовление требует применения более дорогих материалов.

Приступая к изучению раздела сварки необходимо, прежде всего, уяснить физическую сущность процессов сварки, которая заключается в образовании прочных атомно-молекулярных связей между поверхностными слоями соединяемых заготовок. Для получения сварного соединения требуется очистить свариваемые поверхности от загрязнений и оксидов, сблизить соединяемые поверхности и сообщить им некоторую энергию (энергию активации). Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация) и в виде упругопластической деформаций (механическая активация). В зависимости от метода активации все способы сварки разделяют на три класса: термический, термомеханический и механический.

Следует ознакомиться с возможным источником теплоты при сварке и с критериями свариваемости материалов, а также обратить внимание на технологичность сварных соединений.

Термический класс сварки — соединение плавлением с использованием тепловой энергии (дуговой, электрошлаковой, плазменной, электронно-лучевой, лазерной, газовой).

При дуговой сварке источником тепла для плавления металла служит электрическая дуга, возникающая между заготовкой и электродом. Изучая электродуговую сварку, слушатель должен ознакомиться с сущностью дугового процесса, изучить технологию, оборудование, области применения ручной дуговой сварки, а также другие способы дуговой сварки: автоматическую под слоем флюса и сварку в среде защитных газов. Особо должен быть рассмотрен вопрос об электрошлаковой сварке. Следует уяснить, что электрическая дуга горит здесь лишь в самом начале процесса, чтобы подготовить шлаковую ванну, а дальнейшее плавление присадочного и основного металла достигается за счет тепла, выделяемого при прохождении электрического тока через шлаковую ванну.

Сварка электронным лучом в вакууме, плазменной струей, лучом лазера относится к специальным способам электрической сварки. Рассмотрите технологию этих видов сварки, особенности сварных соединений, область применения.

Особенностью газовой сварки является применение в качестве источника тепла газового пламени. Рекомендуется изучить процесс горения и структуру сварочного пламени, конструкцию газовой горелки, оборудование и технологию сварки.

Далее необходимо рассмотреть резку металлов. Существует три основных вида резки: разделительная, поверхностная и резка кислородным копьем. В зависимости от способа нагрева металла до расплавления различают кислородную, кислородно-флюсовую, плазменную, воздушно-дуговую резку металлов.

Вопросы для самопроверки

1. Изложите сущность процесса дуговой электросварки.

2. Особенности и характеристика сварки плавящимся и неплавящимся электродами.

3. Для чего металлические электроды покрывают обмазками и какими?

4. Ручная дуговая сварка.

5. Начертите схему автоматической дуговой сварки под слоем флюса.

6. Изложите сущность процессов дуговой сварки в защитной среде.

7. Начертите схему электрошлаковой сварки.

8. Перечислите и охарактеризуйте специальные способы сварки плавлением.

9. Изложите технологию газовой сварки.

10. Расскажите об области применения газовой сварки.

Электроконтактная сварка относился к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения и осадкой разогретых заготовок. Это высокопроизводительный вид сварки, она легко поддается автоматизации и механизации, вследствие чего широко применяется в машиностроении. Необходимо ознакомиться с электрической контактной сваркой и ее разновидностями: стыковой, точечной, шовной, рельефной. Необходимо подробно изучить технологию, режимы и оборудование электроконтактной сварки.

При диффузионной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов поверхностных слоев контактирующих материалов. Этот способ сварки позволяет получать качественные соединения металлов и сплавов в однородном и разнородных сочетаниях. Разберитесь в особенностях технологии и областях применения диффузионной сварки.

Вопросы для самопроверки

1. Начертите и объясните схемы точечной, роликовой, шовной и рельефной электроконтактной сварки.

2. Приведите примеры применения контактной сварки в машиностроении.

3. Расскажите, в каких отраслях народного хозяйства применяется диффузионная сварка.

Механический класс сварки — сварка, осуществляемая с использованием механической энергии и давления без предварительного подогрева соединяемых заготовок (холодная сварка, сварка ультразвуком, сварка взрывом, сварка трением). Необходимо ознакомиться с технологией, преимуществами и областью применения этих видов сварки.

Вопросы для самопроверки

1. Начертите и поясните схемы видов сварки механического класса.

Наплавка — способ восстановления изношенных и упрочнения исходных деталей. В настоящее время разработаны и широко используются различные способы наплавок и нанесения покрытий. Наплавочные работы применяют для создания на деталях поверхностных слоев с требуемыми свойствами. Следует изучить технологию различных способов наплавки, материалы и оборудование, применяемые при наплавочных работах.

Вопросы для самопроверки

1. Укажите приемы и способы наплавки.

2. Расскажите об областях применения наплавки.

Пайка — технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного металла — припоя.

Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура плавления соединяемых металлов. Следует разобраться в физической сущности процессов пайки, знать способы пайки и типы паяных соединений. Важно уяснить, в каких случаях следует применять мягкий припой, а в каких — твердый. Необходимо изучить области применения пайки металлов и сплавов.

Вопросы для самопроверки

1. Физическая сущность процесса пайки.

2. Какое назначение имеет флюс при пайке?

3. Какое оборудование применяется при пайке?

Качество сварных и паяных соединений оценивают с помощью разрушающих методов контроля. Необходимо изучить внешние и внутренние дефекты соединений и методы их контроля.

Нарушение технологических режимов сварки приводит в ряде случаев к возникновению в сварных соединениях напряжений и деформаций. Необходимо ознакомиться с мерами борьбы с напряжениями, возникающими при сварке, и способами исправления деформированных элементов и конструкций.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите дефекты сварных и паяных соединений.

2. Перечислите разрушающие и неразрушающие методы контроля сварных и паяных соединений.

3. Назовите причины возникновения остаточных напряжений в сварных конструкциях.

4. Как можно уменьшить или полностью устранить деформацию конструкций при сварке?

Тема 3. Основы размерной обработки заготовок деталей машин

Под размерной обработкой понимают придание деталям соответствующих чертежу размеров и форм различными методами резания с использованием специализированных станков и инструментов. Обработку резанием можно считать окончательной операцией в цикле изготовления разнообразных изделий машиностроительного производства, т. к. только она обеспечивает заданный квалитет точности.

3.1. Основные сведения о процессе обработки металлов резание

Обработка металла резанием предназначена для придания деталям требуемой геометрии с соответствующей чистотой поверхностей. При этом до начала обработки будущую деталь называют заготовкой, в процессе обработки эту заготовку называют обрабатываемой деталью, а по окончанию всех видов обработки получают готовую деталь.

Слой металла, который удаляют при обработке называют припуском, причем удаление припуска ручным способом соответствует слесарной обработке, а снятие припуска на станках – механической обработке.

Движение исполнительных органов металлорежущих станков подразделяют на рабочие и вспомогательные. Разберите, какие движения называют рабочими и схематично изобразите их на рисунке. При этом обратите внимание, что суммарное движение режущего инструмента относительно заготовки называют результирующим движением резания.

При обработке резанием рассматривают следующие виды операций: точение, сверление, фрезерование, строгание, протягивание, шлифование. Уясните, что это деление относительное, т. к. любой вид обработки имеет ряд подвидов, например при сверлении дополнительно применяют зенкование, развертку и т. д.

По приведенным в учебниках схемам и чертежам разберитесь в видах обрабатываемых поверхностей. При этом особое внимание уделите геометрии режущего инструмента на примере токарного резца. Процесс образования стружки является основным механизмом резания и зависит от силы резания и режима резания. Все это характеризуется мощностью резания. На основе этих параметров изучите нормативные показатели резания и поймите принципы выбора режимов резания, включая расчет времени обработки.

Вопросы для самопроверки

1. Какие движения при механической обработке называют рабочими, а какие вспомогательными?

2. Какие виды поверхностей выделяют при механической обработке?

3. Какие углы выделяют в режущей части инструмента:

4. Что понимают под плоскостями резания в статической системе координат?

5. Опишите процесс образования стружки.

6. Что понимают под силой резания?

7. Какие операции включают в себя режим резания и как его выбирают?

8. Как рассчитывают время обработки?

3.2. Классификация режущих станков и технология

обработки резанием

Все металлорежущие станки разделяют на группы по характеру выполняемых работ и виду применяемых инструментов. Подробно рассмотрите принятую в России классификацию и уясните единую систему условного обозначения станков, понимаемую как нумерация. Затем подробно рассмотрите технологии обработки резанием, выполняемые на разных металлорежущих станках.

Обработка на токарных станках . С использованием рисунков рассмотрите основные узлы токарно-винторезного станка и поймите, почему токарные станки часто называют универсальными. Проанализируйте типы станков токарной группы.

Обработка на сверлильных и расточных станках. Поймите что понимают под обработкой круглых отверстий на станках сверлильной группы.

Обработка на фрезерных станках. Уясните что такое фрезерование и какие типы фрез для этого используют.

Обработка на строгальных, долбежных и протяжных станках. С учетом видов обработки поверхностей строганием выделите особенности этой группы станков. Изучите типаж инструментов, используемых для этих целей. Составьте схему работ на станках этой группы.

Обработка на шлифовальных и отделочных станках. Изучите процесс шлифования и инструмент, используемый для этих целей. Обратите внимание, что шлифование также относится к операциям резания и разберите с чем это связано. Рассмотрите методы шлифования и типы шлифовальных станков.

Для всех рассмотренных технологий резания изучите возможные виды работ.

В заключении уделите внимание возможностям механизации и автоматизации металлорежущих станков. Уясните, что представляют собой станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и как из них собирают гибкие автоматические линии (ГАПы). Введите для себя понятие о роботах и манипуляторах.

Вопросы для самопроверки

1. Для чего используют станки токарной группы?

2. Почему токарные станки часто называют универсальными?

3. Что понимают под зенкованием и развертыванием крупных отверстий.

4. Какие основные типы фрез существуют?

5. В чем особенности строгальных станков?

6. Что понимают под процессом шлифования?

7. Что понимают под абразивным инструментом?

8. Для каких целей используют в механообработке роботы и манипуляторы?

3.3. Электрофизикохимическая обработка материалов

По сравнению с обычной обработкой металлов резанием эти виды обработки имеют ряд преимуществ: позволяют обрабатывать материалы с высокими механическими свойствами, обработка которых обычными методами затруднена или совсем невозможна (твердые сплавы, рубины, алмазы и даже сверхтвердые материалы), а также дают возможность обрабатывать самые сложные поверхности (отверстия с криволинейной осью, глухие отверстия фасонного профиля и др.).

Все эти методы обычно подразделяют на две большие группы, к которым относят:

Электрофизические способы обработки. Методы, относящиеся к этой группе, чаще всего называют электроэрозионными и электролучевыми в зависимости от способа подвода энергии к обрабатываемой поверхности.

Электроэрозионная обработка токопроводящих металлов и сплавов основана на явлении местного разрушения материала под действием пропускаемого между ним и специальным электродом импульсного электрического тока.

Разряды тока осуществляют непосредственно в зоне обработке, где они преобразуются в тепло, выплавляющие частицы обрабатываемого металла.

Электролучевую обработку проводят на любых материалах и она не зависит от их электропроводности . В данном случае энергия подается на обрабатываемую поверхность за счет использования квантовых генераторов (лазеров) или электронно-лучевых пушек.

Светолучевую обработку (лазерную);

Рассмотрите каждый метод в отдельности и зарисуйте в конспекте схему обработки.

Электрохимические способы обработки. Эти способы находят широкое применение в промышленности и основаны на анодном растворении металла (анода) при пропускании через раствор электролита постоянного тока.

Электрохимическое травление (полирование);

Размерную электрохимическую обработку;

Уясните для себя суть каждого метода, его возможности и область применения. Конспект сопроводите схемами процесса обработки.

Вопросы для самопроверки

1. В чем суть электрофизических способов обработки?

2. Почему электроэрозионный обработке можно подвергать, только электропроводящие материалы?

3. Что является источником энергии при ультразвуковой обработке?

4. Какие технологические операции можно осуществлять с использованием лазеров?

5. В чем суть электрохимических способов обработки?

6. Для каких целей применяют электрохимическое травление (полирование)?

7. Почему один из видов электрохимической обработки называют размерной?

Тема 4. Основы технологии производства заготовок и деталей

машин из неметаллических и композиционных материалов

Понятие «неметаллические материалы» включает в себя пластмассы, резиновые материалы, древесину, силикатные стекла, керамику, ситаллы и другие материалы.

Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но их часто применяют как самостоятельные, иногда даже как незаменимые (резина, стекло). Отдельные материалы обладают высокой механической и удельной прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью, высокими электроизоляционными характеристиками и т. п. Особо следует отметить технологичность неметаллических материалов. Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Неметаллические конструкционные материалы

При изучении неметаллических конструкционных материалов необходимо, прежде всего, уяснить, что основой неметаллических материалов являются полимеры. Известно, что макромолекулы полимеров бывают линейные, разветвленные, поперечно сшитые и с замкнутой пространственной сетчатой структурой. Тип макромолекул полимеров определяет их поведение при нагревании. В зависимости от этого полимеры делят на термопластичные и термореактивные. Изучите особенности строения полимеров, их классификацию. Особое внимание обратите на физическое состояние и фазовый состав полимеров.

Пластмассы — это искусственные материалы, получаемые на основе органических полимеров. Необходимо изучить состав простых и сложных пластмасс, ознакомиться с их свойствами и классификацией. Особое внимание следует обратить на применение термопластичных и термореактивных пластмасс.

Переработка пластмасс в изделия и детали возможна во всех трех физических состояниях полимеров: вязкотекучем, высокоэластичном и твердом. Причем основное формоизменение и получение заготовок производят в вязко-текучем состоянии. Придание окончательной формы и размеров деталям и изделиям из пластмасс осуществляют в высокоэластичном и твердом состояниях. Изучите способы переработки пластмасс в изделия и способы получения неразъемных соединений из пластмасс сваркой и склеиванием. Разберитесь в сущности методов, применяемом инструменте и оборудовании.

Важной группой полимеров являются каучуки, которые составляют основу отдельного класса конструкционных материалов — резин. Как технический материал резина отличается высокими пластическими свойствами. Кроме того, резина обладает таким рядом важных свойств, как газонепроницаемость и водонепроницаемость, химическая стойкость, ценные электротехнические свойства и т. д. Уясните состав резин и влияние различных добавок на их свойства. Изучите физико-химические свойства и области применения резин различных марок.

Технологическая схема производства изделии из резин включает в себя операции приготовления резиновой смеси, формование ее и вулканизацию (химическое взаимодействие каучука и серы). Рассмотрите способы формообразовании изделий из резин и методы получения резинотканевых изделий.

Особую группу составляют лакокрасочные и склеивающие материалы. Уясните для себя, что представляют собой лаки и эмали. Здесь важно понять, что это сложные многокомпонентные системы, в состав которых входят разные вещества, обеспечивающие требуемый комплекс свойств. Выделите характерные признаки и составьте классификацию лакокрасочных материалов.

Весьма велика в современном производстве роль клеев. Они позволяют получать неразъемные соединения, в т. ч. и между совершенно разными по природе материалами. Изучите классификацию клеев по составу и назначению, особенности их изменения и механические возможности.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется полимером?

2. Что лежит в основе классификации полимеров а «термопласты» и «реактопласты»?

3. Чем характеризуется кристаллическое состояние полимеров.

4. Расскажите о трех физических состояниях полимеров: стеклообразном (твердом), высокоэластичном и вязкотекучем.

5. Перечислите причины старения полимеров.

6. Перечислите компоненты, входящие и состав сложных пластмасс.

7. Какие Вы знаете наполнители пластмасс?

8. Укажите область применения термопластов и реактопластов.

9. В чем преимущества пластмасс по сравнению с металлическими материалами? Каковы их недостатки?

10. Какие компоненты входят в состав резин и как они влияют на их свойства?

11. Расскажите о технологических способах изготовления резино-технических изделий.

12. В чем отличие между масляными красками и эмалями?

13. Какие показатели характеризуют качество клеевого соединения?

Неорганические конструкционные материалы

В группу неорганических материалов входят неорганические стекла, стеклокристаллическите материалы (ситаллы), керамика, графит и асбест. Уясните, что основой неорганических материалов являются, главным образом, оксиды и бескислородные соединения металлов. Обратите внимание, что большинство этих материалов содержат различные соединения кремния с другими элементами и поэтому их часто объединяют общим названием – силикатные материалы. В настоящее время спектр неорганических материалов значительно расширился. Применяют чистые оксиды алюминия, магния, циркония и др., свойства которых значительно превосходят свойства обычных соединений кремния. Рассмотрите комплекс физико-химических и механических свойств неорганических материалов и сравните его с аналогичными показателями для органических полимерных материалов.

Особую группу составляют естественные неорганические материалы, к которым относят графит, асбест, древесину и ряд горных пород (мрамор, базальт, обсидиан). Изучите особенности этих материалов и их технические возможности.

Вопросы для самопроверки

1 Какие минеральные материалы относятся к силикатному стеклу?

2. Что такое ситаллы, укажите способы их получения.

3. Что представляет собой техническая керамика?

Композиционные конструкционные материалы

Композиционными называют искусственные материалы, получаемые сочетанием химически разнородных компонентов. В композиционных материалах, в отличие от сплавов, компоненты сохраняют присущие им свойства и между ними наблюдается четкая граница раздела. Выделяют естественные (эвтектические) и искусственные композиционные материалы.

Материаловедение и технология новых материалов

Информация по профилю

Направление подготовки дипломированного бакалавра 22.03.01 — «Материаловедение и технологии материалов» утверждено приказом Министерства образования Российской Федерации от 12.11.2015 г. № 1331. Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки бакалавра по направлению «Материаловедение и технологии материалов» при очной форме обучения составляет 4 года.

Основные виды деятельности выпускника (кого готовят), что может выпускник

Область профессиональной деятельности выпускников:

• разработка, исследование, модификация и использование материалов неорганической и органической природы различного назначения; процессы их формирования, формо- и структурообразования; превращения на стадиях получения, обработки и эксплуатации;
• процессы получения материалов, заготовок, полуфабрикатов, деталей и изделий, а также управление их качеством для различных областей техники и технологии (машиностроения и приборостроения, авиационной и ракетно-космической техники, атомной энергетики, твердотельной электроники, наноиндустрии, медицинской техники, спортивной и бытовой техники и др.)

Объекты профессиональной деятельности выпускника:

• основные типы современных конструкционных и функциональных неорганических (металлических и неметаллических) и органических (полимерных и углеродных) материалов; композитов и гибридных материалов; сверхтвердых материалов;
• интеллектуальных и наноматериалов, пленок и покрытий;
• методы и средства испытаний и диагностики, исследования и контроля качества материалов, пленок и покрытий, полуфабрикатов, заготовок, деталей и изделий, все виды исследовательского, контрольного и испытательного оборудования, аналитической
• аппаратуры, компьютерное программное обеспечение для обработки результатов и анализа полученных данных, моделирования поведения материалов, оценки и прогнозирования их эксплуатационных характеристик;
• технологические процессы производства, обработки и модификации материалов и покрытий, деталей и изделий; оборудование, технологическая оснастка и приспособления; системы управления технологическими процессами;
• нормативно-техническая документация и системы сертификации материалов и изделий, технологических процессов их получения и обработки; отчетная документация, записи и протоколы хода и результатов экспериментов, документация по технике безопасности и безопасности жизнедеятельности.

Виды профессиональной деятельности выпускника:

научно-исследовательская и расчетно-аналитическая:

• сбор данных о существующих типах и марках материалов, их структуре и свойствах применительно к решению поставленных задач с использованием баз данных и литературных источников;
• участие в работе группы специалистов при выполнении экспериментов и обработке их результатов по созданию, исследованию и выбору материалов, оценке их технологических и служебных качеств путем комплексного анализа их структуры и свойств,
• физико-механических, коррозионных и других испытаний;
• сбор научно-технической информации по тематике экспериментов для составления обзоров, отчетов и научных публикаций, участие в составлении отчетов по выполненному заданию;
• делопроизводство и оформление проектной и рабочей технической документации, записи и протоколы; проверка соответствия разрабатываемых проектов и технической документации нормативным документам.

производственная и проектно-технологическая:

• участие в производстве материалов с заданными технологическими и функциональными свойствами, проектировании высокотехнологичных процессов в составе первичного проектно-технологического или исследовательского подразделения;
• организация рабочих мест, их техническое оснащение, обслуживание и диагностика технологического оборудования, контроль за соблюдением технологической дисциплины и экологической безопасности в производственном подразделении по обработке и переработке материалов, контроль качества выпускаемой продукции;
• разработка технических заданий на конструирование отдельных узлов приспособлений, оснастки и специального инструмента, предусмотренных технологией получения и обработки материалов;
• участие в работе по стандартизации, подготовке и проведению сертификации процессов, оборудования и материалов, подготовка документов при создании системы менеджмента качества на предприятии или в организации.

организационно-управленческая:

• управление технологическим процессом, обеспечение технической и экологической безопасности производства на участке своей профессиональной деятельности;
• составление технической документации (графиков работ, инструкций, планов, смет, заявок на материалы и оборудование и т.п.), подготовка установленной отчетности по утвержденным формам;
• профилактика травматизма, профессиональных заболеваний, предотвращение экологических нарушений на участке своей профессиональной деятельности.

Краткое описание профиля подготовки

“Материаловедение и технология новых материалов” является основой современной техники: самолетов и ракет, автомобилей и кораблей, зданий и конструкций, микроэлектроники и компьютеров, мобильных телефонов и навигаторов. Это конструкционные материалы (прочные, легкие, коррозионностойкие) и функциональные материалы (с особыми магнитными, электрическими, оптическими и иными свойствами). Новые материалы все более широко входят в нашу повседневную жизнь, коренным образом изменяют ее качество. Однако здесь еще много нерешенных проблем, которые предстоит решать вам, сегодняшним абитуриентам. Например, проблема века, которая стоит перед материаловедами — создание керамического двигателя. Такой двигатель будет легким, высокотемпературным, с высоким КПД, малыми затратами топлива и малым выбросом выхлопных газов в окружающую среду. Но пока керамика — очень хрупкий материал, из которого нельзя сделать двигатель.

Основные дисциплины

• Введение в материаловедение и технологию новых материалов.
• Производство деталей из композиционных материалов.
• Приборы и методы исследования наноматериалов.
• Твердые сплавы и наплавки.
• Свойства и применение наноматериалов.
• Экспертиза материалов и наноматериалов.
• Керамические материалы и стекла.

Возможные сферы деятельности выпускников

• Инженер по химическому и спектральному анализу материалов.
• Инженер-рентгенолог.
• Инженер по электронной микроскопии.
• Инженер-металлограф.
• Инженер-испытатель материалов и покрытий.
• Инженер-дефектоскопист.
• Инженер по экспертизе причин разрушений материалов.
• Инженер-технолог по композиционным материалам.
• Инженер-технолог по защитным покрытиям.
• Инженер по снабжению материалами.
• Инженер по маркетингу материалов и покрытий.

• Иголкина Надежда — ОАО «Гидроавтоматика», инженер,
• Кондратьев Валерий — ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ-Прогресс», начальник сектора по сварке,
• Подкатов Александр — ОАО «Волгабурмаш», мастер,
• Шибанов Денис — ОАО «Волгабурмаш», инженер-конструктор,
• Шульдешов Дмитрий — СПРП ОРЦ на Нк ТЭЦ-1, г. Новокуйбышевск, мастер по сварке.

Компании с которыми сотрудничает кафедра, связь с предприятиями, где проходит практика

• ОАО «Волгабурмаш»;
• ОАО «Волжская территориальная генерирующая компания»;
• ОАО «ВНИИТ НЕФТЬ»;
• ОАО «Самарский нефтеперерабатывающий завод»;
• ФГУП ГНП РКЦ «ЦСКБ — Прогресс»;
• ОАО «Металлист — Самара»;
• ОАО «Завод авиационных подшипников»;
• ЗАО «Алкоа-СМЗ»;
• ОАО «Авиаагрегат»;
• ОАО «КОТРОКО»;
• ООО «ИДЦ «АЭ-Системы»;
• ГП «Самарский приборостроительный завод — Рейд»;
• ОАО «АВТОВАЗ» (г. Тольятти);
• ОАО «ДААЗ» (г. Димитровград);
• ОАО «Тяжмаш», (г. Сызрань)
• Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии Наук (ИСМАН), г. Черноголовка Московской области.

Контакты

кафедра «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»

Г. Самара, ул. Молодогвардейская, 133

Технологии полимерных, композиционных материалов и защитных покрытий

Информация по образовательной программе

Основной задачей кафедры является подготовка высококвалифицированных кадров в области переработки пластмасс, композиционных материалов и защитных покрытий.

Кафедра «Химия и технология полимерных и композиционных материалов» готовит и выпускает бакалавров по направлению 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» по программе «Технология полимерных, композиционных материалов и защитных покрытий».

Виды деятельности выпускника

Выпускники получают знания, умения и навыки, которые позволяют освоить передовые способы производства и современные методы переработки пластических масс и композиционных материалов, а также приме.

• Композиционные материалы
• Компьютерная графика в системах автоматизированного проектирования
• Основы компьютерного проектирования
• Теоретические основы переработки пластмасс
• Полимерные клеи и покрытия
• Эластомеры. Химизм образования и технология переработки
• Свойства и технологии наноразмерных материалов
• Основы проектирования производств переработки пластмасс
• Механические процессы
• Оборудование, технология и расчеты при литье под давлением
• Оборудование, технология и расчет при экструзии и т.п.

Примеры трудоустройства выпускников

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

По дисциплине

«Материаловедение и технология материалов»

Минск 2003 Введение

В процессе изучения курса «Материаловедение и технология ма­териалов» наряду с лекциями и практическими занятиями, боль­шую роль играет лабораторный практикум. Без овладения навыка­ми использования анализа поведения материалов в различных усло­виях невозможен направленный синтез новых материалов и обос­нованное использование их на практике.

Выполнение лабораторных работ позволит закрепить теоретиче­ские положения основных разделов науки о материалах, ознако­миться с современными методиками научного исследования и про­анализировать полученные экспериментальные результаты. В итоге можно выполнить небольшое, полностью завершенное научное ис­следование.

В учебном пособии (часть 1) приведены лабораторные работы, отражающие изучение основных физико-химических свойств кон­струкционных материалов и их структуры.

Особенностью изложенного материала является наличие доста­точно обширной теоретической части, что позволяет студентам са­мостоятельно подготовиться к занятиям. В пособии приводится список дополнительной литературы, который будет способствовать более детальному изучению работ.

Целью пособия является ознакомление с различными металличе­скими и неметаллическими конструкционными материалами, ис­пользуемыми в приборостроении, и приобретение Студентами чет­ких представлений о многообразной природе физико-химических явлений, происходящих в материалах при различных условиях в процессе их синтеза и эксплуатации.

После выполнения лабораторной работы предусматривается оформление отчета, который включает:

1) титульный лист;

2) основные теоретические положения;

3) порядок выполнения работы с представлением результатов в виде таблиц и графических зависимостей;

4) анализ полученных результатов и выводы. При проведении лабораторных работ необходимо, строго при­держиваться требований техники безопасности.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Цель работы: изучить диаграмму состояния «железо-углерод», ознакомиться с микроструктурой железоуглеродистых сплавов (ста­лей и чугунов), порошковых композиционных материалов.

Теоретическая часть

При изменении концентрации компонентов в сплавах, а также в процессе их охлаждения или нагрева (при условии постоянного внешнего давления) в этих сплавах происходят существенные фазо­вые и структурные изменения, которые можно наглядно проследить с помощью диаграмм состояния, представляющих собой графиче­ское изображение состояния сплавов. Диаграммы строятся для рав­новесного состояния сплавов. Равновесное состояние — стабильное состояние, не изменяющееся во времени, и характеризующееся ми­нимумом свободной энергии системы.

Диаграммы состояния обычно строят экспериментально. Для их построения используют термический метод. С его помощью полу­чают кривые охлаждения сплавов. По остановкам и перегибам на этих кривых, обусловленным тепловыми эффектами превращений, определяют температуры самих превращений. С помощью диа­грамм состояния определяют температуры плавления и полиморф­ных превращений в сплавах, сколько фаз и какие фазы имеются в сплаве данного состава при данной температуре, а также количест­венное соотношение этих фаз в сплаве. Дополнительно к термиче­скому методу для изучения превращений в твердом состоянии при­влекается исследование микроструктуры с использованием оптиче­ского и электронного микроскопов, рентгеноструктурный анализ, изучение физических свойств сплавов и т.д.

В двойных сплавах по вертикали откладывается температура, а по горизонтали — концентрация компонентов. Каждая точка на оси абсцисс соответствует определенному содержанию одного и друго­го компонента с учетом того, что общее содержание компонентов в каждой точке этой оси соответствует 100%.

Поэтому по мере увеличения количества одного компонента сплава, должно снижаться содержание в сплаве другого компонента.

Вид диаграммы состояния определяется характером взаимодей­ствий, которые имеют место между компонентами сплавов в жид­ком и твердом состояниях. Предполагается, что в жидком состоя­нии между компонентами существует неограниченная раствори­мость, т.е. они образуют однородный жидкий раствор (расплав). В твердом состоянии компоненты могут образовать механические смеси из чистых компонентов, неограниченные твердые растворы, ограниченные твердые растворы, устойчивые химические соедине­ния, неустойчивые химические соединения, а также испытывать полиморфные превращения.

Механические смеси образуются, если элементы, входящие в состав сплава, при затвердевании из жидкого состояния не раство­ряются друг в друге и не взаимодействуют. По структуре смесь представляет собой неоднородное тело. На шлифе видны кристал­литы разных компонентов, образующих механическую смесь. Хи­мический анализ определяет также разные компоненты. Различимы два типа кристаллических решеток.

Твердые растворы — фазы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (растворяемых) компонентов располагаются в его решетке, искажая ее. Химический анализ твердого раствора показывает на­личие двух элементов, а рентгеноструктурный — один тип решетки растворителя. По структуре — однородные зерна. Если оба компо­нента имеют однотипные кристаллические решетки, и их атомные диаметры отличаются не более чем на 8 — 15 %, то возможна неог­раниченная растворимость (например, золото и серебро).

Химические соединения образуются, если элементы, состав­ляющие сплав, взаимодействуют друг с другом. По структуре они представляют собой однородные твердые тела. Свойства химиче­ских соединений отличаются от свойств образующих их элементов. Они имеют постоянную температуру плавления. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток исходных компонентов. В химическом соединении сохраняется определенное соотношение атомов элементов, т.е. имеется химическая формула соединения.

Диаграмма состояния системы «железо-углерод»

Железо и его сплавы с углеродом

Стали — сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% угле­рода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, крем­ний, сера и фосфор. Некоторые элементы могут быть введены спе­циально для улучшения физико-химических свойств (легирующие элементы).

По структуре стали делятся на:

1) доэвтектоидные , содержащие до 0,8 % углерода (состав П+Ф);

2) эвтектоидные стали , содержащие 0,8 % углерода (П);

3) заэвтектоидные , содержащие более 0,8 % углерода (П+втор.Ц).

Точка D — эвтектоидная точка (при охлаждении из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита). Эвтектоидное превращение происходит не из жидкости, а из твердого раствора.

В зависимости от химического состава различают стали углеро­дистые и легированные. В свою очередь углеродистые стали могут быть:

1) малоуглеродистыми (содержание углерода менее 0,25%);

2) среднеуглеродистыми (содержание углерода составляет. 0,25 — 0,60%);

3) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода пре­вышает 0,60%.

Легированные стали подразделяют на:

1) низколегированные — содержание легирующих элементов до 2,5%;

2) среднелегированные- т- 2,5 до 10% легирующих элементов;

3) высоколегированные — содержат свыше 10% легирующих эле­ментов.

По назначению стали бывают:

1) конструкционные, предназначенные для тельных и машиностроительных изделий;

2) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мери­тельный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат

более 0,65% углерода;

3) с особыми физическими свойствами, например, с определен­ными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения (электротехническая сталь, инвар);

4) с особыми химическими свойствами, например, нержавею­щие, жаростойкие или жаропрочные стали.

В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фос­фора) стали подразделяют на:

1. Стали обыкновенного качества, содержание до 0,06% серы и

2. Качественные — до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.

3. Высококачественные — до 0,025% серы и фосфора.

4. Особо высококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,0] 5% серы.

По степени удаления кислорода из стали, т.е. по степени ее раскисления, различают:

1) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные, обозначаются буквами «»сп» в конце марки;

2) кипящие стали — слабо раскисленные, маркируются буквами «кп»;

3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положе­ние между двумя предыдущими; обозначаются буквами «пс».

В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δ т, изгиб в хо­лодном состоянии), сталь каждой группы делится на категории, ко­торые обозначаются арабскими цифрами.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и ус­ловным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического со­става и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше ее номер. Для указания ка­тегории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соот­ветствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Например: Ст1кп2 — углеродистая сталь обыкновенного качест­ва, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребите­лям по механическим свойствам (группа А).

Качественные стали маркируют следующим образом: в начале марки указывают содержание углерода в сотых долях процента для сталей,

Например: СТ45 — сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,45% С.

У7 — углеродистая инструментальная, качественная сталь, со­держащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо рас кислены).

Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А — азот, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, М — молибден, Ф — ванадий, В — вольфрам, Н — никель, X — хром, Г — марганец, П — фосфор, Д — медь, С — кремний.

Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Ес­ли цифры нет, то сталь содержит 0,8 — 1,5% легирующего элемента.

Например: 14Г2 — низколегированная качественная сталь, спо­койная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца.

ОЗХ16Н15МЗБ — высоколегированная качественная сталь, спокой­ная содержит 0,03% С, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особо высококачественные стали мар­кируют так же, как и качественные, но в конце марки высококачест­венной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозна­чения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь), а после марки особо высококачественной — через тире букву «Ш».

Например: У8А — углеродистая инструментальная высококаче­ственная сталь, содержащая 0,8% углерода;

ЗОХГС-Ш — особо высококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.

Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами «ШХ», после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента (ШХ6).

Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают бук­вой «Р», следующая за ней цифра указывает на процентное содер­жание в ней вольфрама (Р18).

Автоматные стали обозначают буквой «А» и цифрой, указываю­щей среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12).

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Чугуны, в отличие от сталей, заканчивают кристаллизацию обра­зованием эвтектики, обладают низкой способностью к пластиче­ской деформации и высокими литейными свойствами.

В зависимости от состояния углерода в чугуне, различают:

1) чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоя­нии в виде карбида (белый чугун);

2) чугун, в котором углерод в значительной степени или полно­стью находится в свободном состоянии в виде графита (серый, вы­сокопрочный, ковкий чугуны).

Белый чугун не содержит графита, весь углерод связан в це­ментите Fe 3 C. Белые чугуны, в зависимости от содержания углеро­да, делятся на:

1) доэвтектические — содержание углерода до 4,3% . Структура состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические — содержание углерода 4,3%. Структура состо­ит из ледебурита;

3) заэвтектические — содержание углерода более 4,3 %. Структу­ра состоит из ледебурита и первичного цементита.

Точка С — эвтектическая . Эвтектическое превращение происхо­дит из жидкости. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. В точке С одновременно в равновесии сосуществуют три фазы: жидкий расплав, аустенит и цементит.

Серые чугуны содержат углерод в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. Под микроскопом графит будет на­блюдаться в виде темных кривых полос на светлом фоне. По сравне­нию с металлической основой, графит имеет низкую прочность. Мес­та его залегания можно рассматривать как нарушения сплошности. Серый чугун имеет низкие характеристики механических свойств при испытаниях на растяжение. Однако серый чугун имеет и ряд преимуществ: позволяет получать дешевое литье, имеет хорошую. обрабатываемость резанием, высокие демпфирующие свойства.

Серый чугун маркируется двумя буквами СЧ и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления при растяжении в МПа.

Например: СЧ10 — серый чугун с пределом прочности при рас­тяжении 100МПа.

По мере округления графитных включений их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается, и механиче­ские свойства чугунов растут. Округленная форма графита достига­ется модифицированием. При использовании в качестве модифика­тора магния в количестве до 0,5% получают высокопрочный чугун.

Высокопрочный чугун содержит углерод в свободном состоя­нии в виде шаровидных включений графита. Под микроскопом на­блюдаются округлые темные зерна разного размера на светлом фо­не. Из высокопрочных чугунов изготавливают ответственные дета­ли. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрой, ха­рактеризующей величину временного сопротивления.

Например: ВЧ 35 — высокопрочный чугун с пределом прочно­сти при растяжении 350 МПа.

Ковкий чугун содержит углерод в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун получают из белого путем графитизирующего отжига (длительный отжиг при темпера­туре 1000°С). Под микроскопом наблюдается хлопьевидная фаза на светлом фоне.

Ковкий чугун маркируется буквами КЧ и двумя числами: первое — предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение.

Например: КЧ 35-10 — ковкий чугун с пределом прочности 350 МПа и относительным удлинением 10 %.

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы и графитных включений. Свойства чугуна зависят от свойств метал­лической основы и характера включений графита.

Металлическая основа может быть:

1) перлитная (темная основа под микроскопом);

2) феррито-перлитная (чередование светлых и темных участков под микроскопом);

3) ферритная (светлая основа под микроскопом).

Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении сплавов железа с углеродом. Графитизация является диффузионным процессом и протекает медлен­но. Процесс графитизации состоит из нескольких стадий:

1) образование центров, графитизации;

2) диффузия атомов углерода к центрам графитизации;

3) рост выделений графита.

Композиционные материалы, полученные методом

Порошковой металлургии

Исследование структуры сплавов

Экспериментальная часть

1. Используя образцы-микрошлифы порошковых материалов, рассмотреть и графически изобразить структуру материалов под микроскопом. Сравнить структуру с описанием в альбоме.

2. Используя образцы-микрошлифы сталей и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить содержание углерода в образцах и фазовый состав по диаграмме состояния, приведенной в теоретической части.

3. Используя образцы-микрошлифы чугунов и вспомогательный альбом с фотографиями, изучить и графически изобразить их струк­туру. Определить вид чугуна, форму графитных включений, тип металлической основы. У белых чугунов определить содержание углерода. По диаграмме состояния определить фазовый состав бе­лых чугунов.

4. Изучить диаграмму состояния «железо-углерод». Идентифи­цировать линии ликвидуса, солидуса, эвтектоидную и эвтектиче­скую точки, линии фазовых переходов, температуры плавления же­леза, цементита и т.д.

5. По результатам проведенной работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №2,

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить механические свойства конструкционных материалов и методы оценки свойств.

Теоретическая часть

Механические свойства материалов зависят от вида напряжен­ного состояния (создаваемого в образцах при испытании), условий и характера нагружения, скорости, температуры и состояния внеш­ней среды. Целью механических испытаний материалов является определение именно тех или иных свойств или их совокупности, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий в заданных условиях службы. Совокупность таких механических свойств можно назвать конст­руктивной прочностью.

В качестве критериев оценки принимают разные сочетания ме­ханических свойств. Выделяют следующие группы критериев:

1. Оценки прочностных свойств материалов, определяемые часто и независимо от особенностей изготовляемых из них изделий и ус­ловий их службы. Обычно эти прочностные свойства определяют в условиях растяжения при статическом нагружении.

2. Оценки свойств материалов, непосредственно связанных с ус­ловиями службы изделий, и определяющие их долговечность и надежность.

3. Оценки прочности конструкции в целом, определяемые при стендовых и эксплуатационных испытаниях.

Первые две группы критериев оценки свойств определяются на образцах, тогда

как последние — на готовых деталях и конструкциях.

К основным механическим свойствам материалов относятся:

1) прочность — способность материала сопротивляться разруше­нию под действием нагрузки;

2) пластичность — способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения при действии нагрузки;

3) хрупкость — способность материала разрушаться без защит­ного поглощения энергии;

4) вязкость — способность материала до момента разрушения необратимо поглощать механическую энергию;

5) упругость — способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки;

6) твердость — способность материала сопротивляться проник­новению в него другого тела в поверхностном слое.

Диаграмма растяжения

Определение твердости материалов

Твердость — способность материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воз­действиях.

Преимущества измерения твердости

Определение твердости по шкале Мооса

Экспериментальная часть

1.Испытания на растяжение.

1.1. Получить цилиндрические образцы из стали, испытанные на растяжение.

1.2. Произвести с помощью штангельциркуля необходимые из­мерения длин и диаметров образцов. Данные занести в табл 2.2.

1.3. Определить основные механические характеристики, а имен­но предел прочности материала, относительное удлинение и отно­сительное сужение по формулам, приведенным в теоретической части работы.

1.4. Построить диаграмму растяжения образов стали в координа­тах Р-Δl.

1.5. Ознакомиться с диаграммами растяжения различных конст­рукционных материалов, выданными преподавателем, выделить ос­новные зоны, определить механические характеристики.

2. Определение твердости материалов.

2.1. Определение твердости по Бринеллю:

а) испытуемый образец устанавливают на столике прибора для измерения твердости;

б) установить величину нагружающего усилия и время действия нагрузки;

в) нанести отпечаток на образец, опустить столик прибора, снять образец;

г) используя микроскоп, измерить диаметр полученного отпе­чатка и рассчитать твердость по Бринеллю.

2.2. Определение твердости по Виккерсу:

а) определить длины диагоналей отпечатка на образце установленном на предметном столике микроскопа;

2.3. Изучение влияния содержания углерода в стали на ее твер­дость;

а) измерить диаметры отпечатков полученных образцов для ста­лей СТ20, СТ45, У8;

б) определить значения твердости по Бринеллю, пользуясь спра­вочными таблицами;

в) построить графическую зависимость твердости от содержа­ния углерода и объяснить се.

3. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №3

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы : изучить особенности процесса кристаллизации материалов на примере солей и металлов, определить* влияние различных факторов на структуру закристаллизованного материала, ознакомиться с методикой термического анализа.

Теоретическая часть

Всякое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном. Переход из одного состояния в другое происходит при определенной температуре, на­зываемой температурой плавления, кристаллизации, кипения или сублимации.

Твердые кристаллические тела имеют правильное строение, при котором атомы и ионы находятся в узлах кристаллических решеток (так называемый ближний порядок), а отдельные ячейки и блоки определенным образом ориентированы по отношению друг к другу (дальний порядок). В жидкостях определенная ориентировка рас­пространяется не на весь объем, а лишь на небольшое число атомов, образующих сравнительно устойчивые группировки, или флуктуа­ции (ближний порядок). С понижением температуры устойчивость флуктуации увеличивается, и они проявляют способность к росту.

По мере увеличения температуры твердого тела растет подвиж­ность атомов в узлах решетки, амплитуда колебаний увеличивается и при достижении

определенной температуры, называемой температу­рой плавления, решетка разрушается с образованием жидкой фазы.

Противоположная картина наблюдается при охлаждении жидко­сти (расплава) и ее последующем затвердевании. При охлаждении подвижность атомов снижается, и вблизи температуры плавления -образуются группировки атомов, в которых атомы упакованы, как в кристаллах. Эти группировки являются центрами кристаллизации или зародышами, на которых впоследствии вырастает слой кри­сталлов. При достижении температуры «плавления-затвердевания» вновь образуется кристаллическая решетка, и металл переходит в твердое состояние. Переход металла из жидкого состояния в твер­дое при определенной температуре называется кристаллизацией.

Кристаллические тела характеризуются анизотропией — зависи­мостью свойств от направления. Аморфные тела (например, стекло) являются изотропными — их свойства не зависят от направления.

Рассмотрим термодинамические условия кристаллизации. Энер­гетическое состояние любой системы характеризуется определен­ным запасом внутренней энергии, которая складывается из энергии движения молекул, атомов и т.д. Свободной энергией является та­кая составляющая внутренней энергии, которая в изотермических условиях может быть превращена в работу. Величина свободной энергии изменяется при изменении температуры, плавлении, поли­морфных превращениях и т.д.

Согласно второму закону термодинамики, всякая система стре­мится к минимальному значению свободной энергии. Любой само­произвольно текущий процесс идет только в том случае, если новое состояние более устойчиво, т.е. обладает меньшим запасом свобод­ной энергии. Например, шарик стремиться скатиться вниз по на­клонной плоскости, понизив при этом свою свободную энергию. Самопроизвольное возвращение шарика вверх по наклонной плос­кости невозможно, так как при этом произойдет увеличение его свободной энергии.

Процесс кристаллизации подчиняется этому же закону. Металл затвердевает, если меньшей свободной энергией обладает твердое состояние, и плавится в том случае, когда меньшей свободной энер­гией обладает жидкое состояние. Изменение свободной энергии жидкого и твердого состояния при изменении температуры показано на рис. 3.1. Температурные изменения свободной энергии раз­личны для жидкого и твердого состояний вещества.

Рис. 3.1. Термодинамическое условие кристаллизации

Различают теоретическую и фактическую температуру кристал­лизации.

Т 0 — теоретическая, или равновесная температура кристаллиза­ции, при которой F ж = F тв При этой температуре равновероятно су­ществование металла как в жидком, так и в твердом состояниях. Реальная же кристаллизация начнется тогда, когда этот процесс бу­дет термодинамически выгоден системе, при условии ΔF = F ж — F тв, для чего необходимо некоторое переохлаждение. Температура, при которой практически идет кристаллизация, называется фактиче­ской температурой кристаллизации Т кр. Разность между теорети­ческой и фактической, температурами кристаллизации называется степенью переохлаждения :ΔТ = Т 0 — Т кр. Чем больше степень пе­реохлаждения ΔТ, тем больше разность свободных энергий ΔF, тем интенсивнее будет идти кристаллизация.

Подобно тому, как при затвердевании необходимо переохлажде­ние до фактической температуры кристаллизации, так и при плав­лении необходим перегрев для достижения реальной температуры плавления.

Механизм процесса кристаллизации

Термический анализ

Строение слитка спокойной стали

Экспериментальная часть

1. Провести термический анализ металла.

1.1. Включить печь, в которую помещен образец металла.

1.2. Произвести нагревание (плавление) образца до температуры, указанной лаборантом.

1.3. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек. Перевод показаний производится с помощью градуировочной таблицы.

1.4. При достижении конечной температуры эксперимента вы­ключить печь и произвести процесс охлаждения (кристаллизацию) металла.

1.5. Снимать показания измерительного прибора через каждые 60 сек.

1.6. Построить кривые нагревания и охлаждения в координатах

«температура — время» на одном графике.

1.7. Определить критические точки агрегатных превращений и

2. Изучить процесс кристаллизации на примере солей металлов.

2.1. Нанести капли насыщенных растворов солей на предметное стекло и разместить на предметном столике микроскопа.

2.2. Рассмотреть и графически изобразить структуры солей, по­лученные через определенный период времени в процессе естест­венного испарения воды. Определить типы кристаллических обра­зований, последовательность образования зон, их количество.

3. По экспериментальным результатам сформулировать выводы.

Лабораторная работа № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: изучить теплофизические свойства материалов. Оп­ределить температурный коэффициент линейного расширения сплава.

Теоретическая часть

Для ряда отраслей приборостроения необходимо применение ма­териалов со строго регламентированными тепловыми свойствами, К основным теплофизическим свойствам относятся: нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность, термостойкость, теплоемкость, тепловое расширение.

Нагревостойкостью называют способность материалов без по­вреждения и без допустимого ухудшения других практически важ­ных свойств надежно выдерживать действие повышенной темпера­туры (кратковременно или в течение времени, которое сравнимо с нормальным временем эксплуатации). Величину нагревостойкости оценивают по соответствующим значениям температуры, при кото­рой появились изменения свойств (например, электрических для неорганических диэлектриков). Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформа­ций. Если ухудшение свойств обнаруживают только после длитель­ного воздействия повышенной температуры — за счет медленно протекающих химических процессов, то это так называемое тепло­вое старение материала . Помимо воздействия температуры, суще­ственное влияние на скорость старения могут оказывать: повышение давления воздуха, концентрация кислорода,

различных химиче­ских реагентов и т.д.

Для ряда хрупких материалов (стекла, керамики) важна стой­кость по отношению к резким сменам температуры — тепловым им­пульсам. Способность выдерживать теплосмены называется термо­стойкостью. При быстром нагреве или охлаждении поверхности материала, за счет создания температурного перепада между на­ружным и внутренним слоями материала и неравномерного тепло­вого расширения или сжатия, могут образоваться трещины. Термостойкость оценивается по количеству теплосмен, которое выдержал образец материала без заметного изменения свойств.

В результате испытаний определяют стойкость материала к теп­ловым воздействиям, причем стойкость эта в различных случаях может быть неодинаковой. Например, материал, легко выдержи­вающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры или мате­риал, выдерживающий длительный нагрев до высокой неизменной температуры, при быстром охлаждении растрескивается, меняет свои свойства. Испытание на действие повышенной температуры иногда необходимо проводить с одновременным воздействием по­вышенной влажности воздуха (тропический климат).

Когда аппаратура рассчитана на работу в условиях пониженных температур, важна ее холодостойкость — способность материала без повреждения и без недопустимого ухудшения других практиче­ски важных свойств надежно выдерживать воздействие низких температур, например, от -60°С и ниже. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако, многие материалы, гибкие и эластичные при обычных температурах, при низких становятся весьма хрупкими и жесткими, что приводит к ненадежности работы.

Все твердые тела в той или иной степени способны проводить тепло. Одни хуже, другие лучше. Теплопроводность — это свойство материалов проводить тепло от более нагретых частей тела к менее нагретым, приводящее к выравниванию температуры.

Принципиально существуют следующие способы передачи теп­ловой энергии в веществе:

1) излучение — все тела, какова бы ни была их температура, из­лучают энергию. Это может быть чисто термическое явление (теп­ловое излучение) и

люминесценция (фосфоресценция и флюоресценция), которая имеет нетермическое происхождение;

2) конвекция — прямая передача тепла, связанная с движением жидкостей и газов;

3) теплопроводность — передача тепла вследствие взаимодейст­вия атомов или молекул вещества. В твердых телах перенос тепло­вой энергии осуществляется в основном по этому способу.

Основной закон теплопроводности Фурье гласит, что плотность теплового потока пропорциональна градиенту температуры. Закон справедлив для изотропных тел (свойства не зависят от направле­ния). Анизотропные твердые тела характеризуются коэффициента­ми теплопроводности в направлении главных осей.

В общем случае теплопроводность в твердых телах осуществля­ется двумя механизмами — движением носителей тока (электронов, главным образом) и упругими тепловыми колебаниями атомов ре­шетки. Максимальный коэффициент теплопроводности имеют алю­миний, золото, медь, серебро. Кристаллы с более сложным строени­ем решетки имеют более низкую теплопроводность, т.к. степень рассеивания тепловых упругих волн там больше. Снижение тепло­проводности наблюдается также при образовании твердых раство­ров, т.к. при этом возникают дополнительные центры рассеивания тепловых волн. В гетерофазных (многофазных) сплавах коэффици­ент теплопроводности складывается из теплопроводностей обра­зующихся фаз. Теплопроводность соединений всегда значительно ниже, чем теплопроводность образующих их компонентов.

Теплоемкость — это свойство самого вещества, оно не зависит от структурных особенностей конкретного изделия, его пористости и плотности, размеров кристаллов и других факторов. Теплоемкость — это количество теплоты, соответствующее изменению температуры единицы количества вещества на 1°С.

Тепловое расширение — увеличение объема и линейных разме­ров тел с изменением температуры. Оно свойственно практически всем материалам.

Хотя прочность сил связи в твердом теле очень велика, сущест­вуют возможности движения элементарных частиц (атомов, ионов). Как в аморфных телах, так и в кристаллических, атомы вибрируют около центра равновесия.

При этом амплитуда колебаний возраста­ет с ростом температуры. Практика показывает, что и удельный объем большинства веществ возрастает при увеличении температу­ры, т.е. имеет место тепловое расширение. Явление термического расширения, однако, связано не с увеличением амплитуды колеба­тельного движения атомов, а с его ангармоничностью. Для понима­ния сущности явления необходимо рассмотреть силовое взаимодей­ствие при образовании химической связи между атомами, а также зависимость потенциальной энергии системы от межатомного рас­стояния. Любой вид химической связи предполагает баланс сил притяжения и отталкивания между атомами. При сближении атомов вначале доминируют силы притяжения. Сближение атомов до неко­торого предела уменьшает энергию системы, т.е. обеспечивает ей большую устойчивость. При достаточно малом межатомном рас­стоянии, однако, проявляются силы отталкивания, препятствующие дальнейшему сближению атомов. Действие этих сил возрастает с уменьшением межатомного расстояния, что соответствует увеличе­нию энергии системы. При некотором значении межатомного рас­стояния силы отталкивания и притяжения уравновесятся, после чего дальнейшее сближение требует приложения внешней силы, что соответствует положительным значениям результирующей силы F рез.

Рис. 4.1. Схема силового взаимодействия между

разноименно заряженными частицами

Потенциальная яма характеризуется сильно выраженной асим­метрией. Допустим, при некоторой температуре колеблющийся атом обладает определенной энергией. В этом случае он совершает колебания относительно центра, отклоняясь поочередно «влево-вправо». Так как смещения от положения

равновесия должны быть одинаковы, то повышение энергии системы вызывает смещение центра колебаний вдоль оси межатомного расстояния. Таким обра­зом, среднее расстояние между атомами растет по мере повышения температуры, что соответствует термическому расширению тела.

Таким образом, в основе явления термического расширения твердых тел лежит ангармоничность колебательного движения его атомов, а степень отклонения тепловых колебаний от гармониче­ского закона, т.е. величина термического расширения тела, во мно­гом определяется степенью асимметрии потенциальной ямы. Как правило, в веществах с ионным характером связи потенциальная яма характеризуется значительной шириной и асимметрией. Этот факт и определяет существенный рост средних межатомных рас­стояний при их нагревании, или значительное тепловое расширение ионных соединений.

Наоборот, в веществах с преимущественно ковалентным харак­тером связи (бориды, нитриды, карбиды) потенциальная яма имеет форму заостренной впадины, в связи с чем степень ее симметрич­ности выше. Поэтому увеличение расстояния между атомами при нагреве сравнительно невелико, что соответствует их относительно небольшому тепловому расширению. Металлы обладают, как пра­вило, повышенным тепловым расширением, т.к. металлическая связь, в общем, является более слабой, чем ионная и ковалентная. Наконец, органические полимеры характеризуются очень большим расширением при нагреве, обусловленным слабыми ван-дер-ваальсовыми силами, действующими между молекулами, в то время как внутри молекул действуют мощные ковалентные силы.

Количественно тепловое расширение материалов оценивается следующими величинами:

1. Температурным коэффициентом линейного расширения при данной температуре (ТКЛР), соответствующим относительному удлинению образца при бесконечно малом изменении температуры.

2. Температурным коэффициентом объемного расширения, ха­рактеризующим трехмерное расширение вещества.

Важным практическим следствием является необходимость ис­пользования данных по ТКЛР, полученных в конкретном темпера­турном интервале, в котором работает материал. Нельзя сравнивать температурные коэффициенты
расширения материалов, измерен­ные при различных температурах.

У изотропных материалов (кристаллы с кубической решеткой, стекла) ТКЛР одинаков во всех направлениях. Большинство кристал­лических веществ, однако, анизотропны (расширение различно вдоль различных осей). Наиболее сильно это явление выражено, например, у слоистых материалов (графит), когда химические связи обладают выраженной направленностью. В результате у графита расширение вдоль слоя оказывается намного меньше, чем перпендикулярно ему. У некоторых подобных материалов с сильно выраженной анизотро­пией величина ТКЛР в одном из направлений может оказаться даже отрицательным. Например, кордиерит 2MgO 2А1 2 О 3 5SiO 2 , у которо­го при тепловом расширении вдоль одной оси наблюдается расши­рение кристалла, а вдоль другой оси — сжатие, соответствующее сближению слоев структуры. Это явление используется в техноло­гии; в по л и кристаллическом материале хаотическое распределение кристаллов приводит к взаимной ориентации их положительного и отрицательного расширения. В итоге получают материал с низкой величиной ТКЛР, отличающийся очень высокой термостойкостью. В то же время в таких материалах на границах зерен могут возникать значительные напряжения, что отражается на их механической проч­ности. Для полифазных материалов на границе двух соприкасаю­щихся фаз с разными ТКЛР на фазу с большим коэффициентом рас­ширения будут действовать напряжения сжатия и растягивающие — на фазу с малым ТКЛР (при нагреве). При охлаждении напряжения меняют знаки. При превышении критических значений напряжений возможно появление трещин и даже разрушение материала.

Таким образом, ТКЛР является структурно чувствительным свойством и чутко реагирует на изменения структуры материала, например на наличие полиморфных превращений в нем. В связи с этим на кривых расширения многофазных материалов могут на­блюдаться перегибы, их монотонный характер нарушается.

Если расширение тела в данном температурном интервале про­исходит равномерно, то графически расширение выразится прямой (рис. 4.2.), а средний коэффициент линейного расширения будет численно равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси темпера­туры, отнесенного к относительному изменению длины образца.

Рис. 4.2. Равномерное расширение тела при нагревании

Однако не всегда расширение образца происходит равномерно. Изучение особенностей теплового расширения в различных темпе­ратурных интервалах позволяет также делать косвенные выводы о температуре и характере различных структурных превращений в материале. В таких случаях зависимость теплового расширения от температуры будет выражаться не прямой линией, а более сложной зависимостью (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Неравномерное расширение тела при нагревании

Для нахождения величины коэффициента расширения в отдель­ных точках кривой расширения нужно провести касательную к оси температур через точку кривой, соответствующей температуре из­мерения. Величина коэффициента линейного расширения будет вы­ражаться тангенсом угла наклона касательной к оси температур.

Величина термического расширения тел при нагревании прежде всего зависит от природы данного материала, т.е. от его химико-минералогического состава, строения пространственной решетки, прочности химической связи и т.д. Так,

величина ТКЛР керамики определяется, прежде всего, характером кристаллической фазы, стекла — химическим составом, а ситалла — характером кристалли­ческой фазы, химическим составом остаточной стекловидной фазы и их соотношением.

Сложную температурную зависимость расширения дают стекло­образные материалы. Вначале, до так называемой температуры стеклования, близкой к температуре размягчения, расширение идет пропорционально температуре. При температуре, превышающей температуру стеклования, скорость удлинения резко возрастает. Этот участок соответствует переходному интервалу от хрупкого к высоковязкому состоянию, в котором происходят процессы струк­турной перестройки стекла, а температура стеклования считается границей хрупкого состояния. После достижения максимума удли­нение начинает уменьшаться, что связано с усадкой образца стекла в результате его размягчения.

ТКЛР является технической характеристикой материала и вы­числяется по формуле

где l 0 — длина тела при начальной температуре Т 0 ;

l т — длина тела, нагретого до температуры Т.

ТКЛР — изменение длины при изменении температуры на 1 гра­дус, отнесенное к исходной длине образца. Материалы с низким ТКЛР применяют в качестве деталей высокоточных приборов и оборудования, которые не должны изменять размеры при нагреве. При жестком соединении частей прибора, например, в спае металла со стеклом, необходимо выбирать материалы с близкими значения­ми ТКЛР, иначе при охлаждении в месте соединения деталей будут возникать напряжения, и в хрупком стекле могут образоваться тре­щины, и спай не будет вакуумно-плотным. Близость ТКЛР необхо­дима также для слоев микросхем, подвергающихся изменению тем­пературы при технологических операциях или в процессе работы, иначе может произойти разрушение слоев схемы.

Коэффициент термического расширения играет большую роль также при оценке термостойкости материалов: чем ниже ТКЛР, тем выше термостойкость.

Существуют сплавы металлов, которые не подчиняются общим закономерностям тепловых свойств. Такими сплавами являются сплавы железа с никелем Ре-М1. Сплав, содержащий 36 % никеля, имеет значение ТКЛР близкое к нулю и носит название инвар (лат. «неизменный»).

Инженеры пользуются еще одним тепловым свойством, а имен­но тепловым коэффициентом модуля упругости (ТКМУ). В лю­бых твердых телах, в том числе металлах, при нагреве наблюдается уменьшение модуля упругости, который является мерой сил меж­атомных связей. Для сплава Ре-№ это свойство имеет аномальную зависимость: модуль ТКМУ растет или остается постоянным при повышении температуры. Максимальным ТКМУ обладает тот же инвар с 36% никеля. Подбор определенного химического состава позволяет разработать сплавы, ТКМУ которых практически не за­висят от температуры. Эти сплавы называются элинварами .

Стали с определенным тепловым расширением служат для изго­товления термобиметаллов , когда слой с низким тепловым расши­рением (пассивный слой) путем прокатки надежно соединяют с другим слоем, обладающим более высоким тепловым расширением (активный слой). Биметаллические пластины используют в качестве терморегулятора в приборостроении.

Нагрев такой пластины приводит к ее искривлению, позволяю­щему замкнуть электрическую цепь. Основным свойством термо­биметаллов является термочувствительность — способность изги­баться при изменении температуры.

Описание кварцевого дилатометра, используемого для измерения температурного коэффициента линейного расширения

Экспериментальная часть

1. Ознакомится с устройством дилатометра.

2. Поместить трубку с образцом бронзы в трубчатую печь.

3. Включить печь и комбинированный прибор для снятия пока­заний.

4. Провести установку индикатора на нуль.

5. Через одинаковые промежутки времени (например, через 20°С) снимать показания индикатора, пользуясь градуировочной таблицей.

6. Опытные данные занести в табл. 4.2.

где α — коэффициент линейного расширения;

n — показания индикатора;

k — цена деления индикатора;

(T 2 — T 1) — разность температур (комнатной и конечной) для выбранного интервала;

l — начальная дина образца;

α кв — поправка на расширение кварца.

8. Построить и объяснить графическую зависимость удлинения образца от температуры.

9. Проанализировать полученные результаты для бронзы, представляющей собой сплав меди и олова, учитывая, что α меди = 160 ·10 -7 гр -1 , α олова = 230 ·10 -7 гр -1 .

10. Ознакомиться с кривыми расширения для неметаллических материалов, выделить характерные зоны, объяснить процессы, происходящие в материалах при нагревании.

11. По результатам работы сформулировать выводы.

Лабораторная работа №5

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Цель работы : ознакомиться с различными пористыми материа­лами и технологией их изготовления. Определить водопоглощение полимерных, композиционных и стеклокерамических материалов и сделать сравнительный анализ полученных результатов.

Теоретическая часть

Все материалы в большей или меньшей степени обладают водопоглощением , т.е. способностью поглощать в себя влагу из окру­жающей среды и влагопроницаемостью, т.е. способностью про­пускать сквозь себя воду. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

На водопоглощение материала существенное влияние оказывает его структура и химическая природа. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильнопористые материалы, в частности волокни­стые, обладают большим водопоглощением. Определение водопоглощепия по увеличению массы увлажняемого образца дает некото­рое представление о способности материала поглощать влагу.

Любой пористый конструкционный материал (металлический, керамический, стеклокерамический или полимерный) — это, как правило, сочетание твердого вещества с пустотами — порами. Объем пор, их размеры и характер распределения оказывают значительное влияние на ряд свойств изделий и материалов. Так, например, меха­ническая прочность керамики зависит не только от общей пористо­сти, но и от размера пор, равномерности их распределения. Бес­спорно, что с увеличением пористости прочность керамики уменьшается за счет увеличения дефектности структуры и снижения прочности связей.

Установлено, что объем пор, заполненных водой, определяет морозостойкость изделий; количество, размер и характер распреде­ления пор во многом определяют шлакоустойчивость футеровки печей; пористость влияет на теплопроводность материалов.

Поры в материалах имеют разнообразную форму, очертания, мо­гут быть неравномерно распределены по объему, поэтому полную характеристику пористости получить чрезвычайно трудно, даже при использовании современных поромеров. Несмотря на разнооб­разие форм, поры можно подразделить на:

1. Закрытые поры — недоступные для проникновения в них жидкости и газа.

2. Открытые — поры, доступные для проникновения.

Открытые поры в свою очередь делятся на:

1) тупиковые — поры, заполняемые жидкостью и газом, откры­тые с одной стороны;

2) каналообразующие — открытые с обоих концов поры, соз­дающие поровые каналы.

Влагопроницаемость материала обуславливается, прежде всего, каналообразующими порами при наличии на их открытых концах перепадов давления. Пористость и проницаемость — важные харак­теристики текстуры для всех типов технических материалов.

Поскольку прямые методы измерения пористости материалов чрез­вычайно сложны, то этот показатель часто оценивается путем опреде­ления других свойств, непосредственно зависящих от пористости. К таким показателям относится плотность материала и водопоглощение.

Ознакомимся с некоторыми определениями.

Истинная плотность — отношение массы материала к его объе­му без учета пор.

Кажущаяся плотность — это отношение массы тела ко всему занятому им объему, включая поры.

Относительная плотность — отношение кажущейся плотности к истинной плотности. Она представляет объемную долю твердого вещества в материале.

Водопоглощение — это отношение массы воды, поглощенной материалом при полном насыщении, к массе сухого образца (выражают в процентах).

Измерив вышеуказанные характеристики, можно оценить об­щую, открытую и закрытую пористость керамики.

Истинная (общая) пористость — суммарный объем всех пор от­крытых и закрытых, выраженный в % к общему объему материала. Эта величина обозначается П и и численно равна сумме закрытой и открытой пористости.

Кажущаяся (открытая) пористость — это отношение объема всех открытых пор тела (заполняемых водой при кипячении) ко всему объему материала, включая объем всех пор. Величину обозначают П 0 и выражают в %.

Закрытая пористость — это отношение объема всех замкнутых пор тела к его объему, включая объем всех пор, обозначают ее через П 3 и выражают в %.

Водопоглощение полимерных материалов

Классификация пластмасс

Пластмассы можно классифицировать по различным признакам, например, по составу, отношению к нагреванию и растворителям и т.д.

По составу пластмассы делятся на:

1) ненаполненные. Представляют собой смолу в чистом виде.

2) наполненные (композиционные). Содержат, кроме смолы, на­полнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители и специ­альные добавки.

Наполнители добавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения механических свойств, уменьшения усадки и снижения стоимости материала (стоимость наполнителя ниже, чем стоимость смолы). Однако наполнитель повышает гигроскопичность пласт­масс и ухудшает электрические характеристики.

Пластификаторы (глицерин, касторовое или парафиновое мас­ло) вводят в количестве 10-20% для уменьшения хрупкости и улуч­шения формуем ости.

Стабилизаторы (сажа, сернистые соединения, фенолы) вводят в количестве нескольких процентов для замедления старения, что ста­билизирует свойства и удлиняет срок эксплуатации. Старение — са­мопроизвольное необратимое изменение важнейших эксплуатацион­ных характеристик материала в процессе эксплуатации и хранения., происходящее в результате сложных физико-химических процессов.

Отвердители вводят также в количестве нескольких процентов для соединения полимерных молекул химическими связями.

Специальные добавки — смазки, красители, для уменьшения статических зарядов, для уменьшения горючести, для защиты от плесени.

При изготовлении поро- и пенопластов добавляются порообра-зователи — вещества, которые при нагреве размягчаются, выделяя большое количество газов, вспенивающих смолу.

По отношению к нагреванию и растворителям пластмассы де­лятся на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры (термопласты) — полимеры кото­рые могут многократно размягчаться при нагреве и твердеть при ох­лаждении без изменения свойств. В этих полимерах между молеку­лами действуют слабые силы Ван-дер-Ваапьса, и нет химических свя­зей. Термопласты обладают также растворимостью в растворителях.

Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании до определенной температуры расплавляются и в результате хими­ческих реакций при этой же температуре при охлаждении твердеют (как говорят, «запекаются»), превращаясь в жесткое, неплавящееся и нерастворимое вещество. В этом случае, наряду со слабыми сила­ми Ван-дер-Ваальса, действуют прочные химические связи между молекулами, называемые поперечными. Их возникновение и со­ставляет суть процесса отверждения полимера.

По убывающему влиянию наполнителя пластмассы разделяют на следующие виды:

1) с листовым наполнителем (гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, древестно-слоистый пластик);

2) с волокнистым наполнителем (волокнит, асбоволокнит, стекловолокнит);

3) с порошковым наполнителем (фенопласты, аминопласты,

4) без наполнителя (полиэтилен, полистирол);

5) с газовоздушным наполнителем (пенопласты).

Гетинакс состоит из двух или более слоев прочной, нагрево-стойкой, пропиточной бумаги, обработанной термореактивной фе-нолформальдегидной смолой резольного типа (бакелитом). С целью повышения нагревостойкости в некоторые марки гетинакса допол­нительно вводят кремнийорганические вещества, а для повышения клеящей способности — эпоксидные смолы. Гетинакс — дешевый материал, используемый в РЭА для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований печатных плат.

Нагревостойкость гетинакса — 135°С. Недостатки: легкость рас­слаивания вдоль листов наполнителя, гигроскопичность (это ухуд­шает электроизоляционные свойства). Для защиты от влаги поверх­ность покрывают лаками.

Текстолит — прессованный материал на основе листов хлопча­тобумажной ткани, пропитанной, как и гетинакс, бакелитом. Он легче обрабатывается, чем гетинакс, имеет более высокие водо­стойкость, прочность при сжатии и ударную вязкость. Текстолит дороже гетинакса в 5-6 раз. Нагревостойкость 150°С.

Стеклотекстолит — материал, состоящий из двух или более сло­ев бесщелочной стеклоткани, пропитанной различными термореак­тивными смолами.

Стеклотекстолит, по сравнению с гетинаксом и текстолитом, об­ладает повышенной влагостойкостью, нагревостойкостью и лучшими электрическими и механическими параметрами, но хуже обрабаты­вается механически. Стеклотекстолит имеет хорошую демпфирую­щую способность (способность гасить вибрации) и превосходит в этом отношении стали, сплавы титана. По тепловому расширению он близок к сталям. Нагревостойкость — 185°С. Стеклотекстолит нахо­дит широкое применение, так как в нем сочетаются малый вес, высо­кая прочность, Нагревостойкость и хорошие электрические свойства.

Древесно-слоистый пластик — материал с наполнителем в виде опилок или шпона.

Листовые фольгированные пластмассы имеют специальное назначение и применяются для изготовления плат с печатным мон­тажом. Они представляют собой слоистую пластмассу, облицованную с одной или двух сторон медной фольгой, полученной электро­литическим путем.

Такой способ получения фольги обеспечивает однородный состав и шероховатую поверхность с одной стороны, что улучшает сцепление фольги с диэлектриком при приклеивании. Композиционные пластмассы с наполнителем в виде хлопчатобумажных волокон и тканей, а также на основе древесных материа­лов могут иметь высокое водопоглощение за счет наполнителя. Со­гласно ГОСТу 4650-73, водопоглощение полимерных материалов определяется при нахождении образца в воде в течение 24 ч при комнатной температуре (либо при кипячении в течение 30 мин).

Свойства пластмасс

Пористые керамические и стеклокерамические материалы

Пористые металлические материалы

Экспериментальная часть

1. Определить водопоглощение полимерных материалов.

1.1. Взвесить образцы полимерных материалов до испытания (масса m 1).

1.2. Образцы поместить в химический стакан с водой, довести до. кипения и выдержать при температуре кипения 30 мин.

1.3. Извлечь образцы из химического стакана, промокнуть фильт­ровальной

бумагой и взвесить (масса m 2).

1.4. Результаты измерений занести в табл. 5.2.

1.5. Определить водопоглощение каждого образца по формуле

2. Определить водопоглощение и открытую пористость стекло-I керамических материалов.

2.1. Взвесить образцы стеклокерамических материалов. Измерить размеры образцов, необходимые для вычисления объема с помощью штангельциркуля.

2.2. Поместить образцы в химический стакан, довести до кипе­ния и выдержать при температуре кипения 60 мин.

2.3. Извлечь образцы из химического стакана, взвесить. Внима­ние! Образцы не следует тщательно промокать, т.к. из относитель­но крупных нор удалится вода.

2.4. Определить водопоглощение каждого образца по вышеприведенной формуле.

2.5. Определить кажущуюся плотность образцов, используя формулу

2.6. Вычислить кажущуюся (открытую) пористость П к:

2.7. Результаты вычислений занести в табл 5.3.

3. По экспериментальным результатам провести сравнительный анализ и сформулировать выводы.

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Специальность «материаловедение и технология материалов» является одной из важнейших дисциплин практически для всех студентов, изучающих машиностроение. Создание новых разработок, которые смогли бы конкурировать на международном рынке, невозможно представить и осуществить без доскональных знаний данного предмета.

Изучением ассортимента различного сырья и его свойств занимается курс материаловедения. Различные свойства используемых материалов предопределяют спектр их применения в технике. Внутреннее строение металла или композитного сплава напрямую влияет на качество продукции.

Основные свойства

Материаловедение и технология конструкционных материалов отмечают четыре наиболее важных характеристики любого металла или сплава. В первую очередь это физические и механические особенности, позволяющие прогнозировать эксплуатационные и технологические качества будущего изделия. Основным механическим свойством здесь является прочность — она напрямую влияет на неразрушаемость готовой продукции под воздействием рабочих нагрузок. Учение о разрушении и прочности есть одна из важнейших составных частей базового курса «материаловедение и технология материалов». Эта наука составляет для поиска нужных конструкционных сплавов и компонентов, предназначенных для изготовления деталей с нужными прочностными характеристиками. Технологические и эксплуатационные особенности позволяют спрогнозировать поведение готового изделия при рабочих и экстремальных нагрузках, высчитать пределы прочности, дать оценку долговечности всего механизма.

Основные материалы

В течение последних столетий основным материалом для создания машин и механизмов является металл. Поэтому дисциплина «материаловедение» уделяет большое внимание металловедению — науке о металлах и их сплавах. Большой вклад в её развитие сделали советские ученые: Аносов П. П., Курнаков Н. С., Чернов Д. К. и другие.

Цели материаловедения

Основы материаловедения обязательны для изучения будущими инженерами. Ведь основной целью включения этой дисциплин в учебный курс является обучение студентов технических специальностей делать правильный выбор материала для сконструированных изделий, чтобы продлить сроки их эксплуатации.

Достижение поставленной цели поможет будущим инженерам решить следующие задачи:

• Правильно оценивать технические свойства того или иного материала, анализируя условия изготовления изделия и срок его эксплуатации.
• Иметь правильно сформированные научные представления о реальных возможностях улучшения каких-либо свойств металла или сплава путем изменения его структуры.
• Знать обо всех способах упрочнения материалов, которые могут обеспечить долговечность и работоспособность инструментов и изделий.
• Иметь современные знания об основных группах используемых материалов, свойствах этих групп и об области применения.

Необходимые знания

Курс «материаловедение и технология конструкционных материалов» предназначен для тех студентов, которые уже понимают и могут объяснить значение таких характеристик, как напряжение, нагрузка, пластическая и агрегатное состояние вещества, атомо-кристаллическое строение металлов, типы химических связей, основные физические свойства металлов. В процессе изучения студенты проходят базовую подготовку, которая им пригодится для покорения профильных дисциплин. Более старшие курсы рассматривают различные производственные процессы и технологии, в которых весомую роль играет материаловедение и технология материалов.

Кем работать?

Знания конструктивных особенностей и технических характеристик металлов и сплавов пригодятся или конструктору, работающему в области эксплуатации современных машин и механизмов. Специалисты в области технологии новых материалов могут найти свое место работы в машиностроительной, автомобильной, авиационной, энергетической, космической сфере. В последнее время наблюдается дефицит специалистов с дипломом «материаловедение и технология материалов» в оборонной промышленности и в сфере разработки средств связи.

Развитие материаловедения

Как отдельная дисциплина, материаловедение являет собой пример типичной прикладной науки, объясняющей состав, строение и свойства различных металлов и их сплавов при разных условиях.

Умение добывать металл и изготавливать различные сплавы человек приобрел еще в период разложения первобытнообщинного строя. Но как отдельная наука материаловедение и технология материалов начали изучаться чуть более 200 лет назад. Начало 18 века — период открытий французского ученого-энциклопедиста Реомюра, который первый попытался изучить внутреннюю структуру металлов. Аналогичные исследования проводил английский фабрикант Григнон, в 1775 году написавший небольшое сообщение о выявленной им столбчатой структуре, которая образуется при отвердевании железа.

В Российской империи первые научные труды в области металловедения принадлежали М. В. Ломоносову, который в своем руководстве попытался кратко объяснить сущность различных металлургических процессов.

Большой рывок вперед металловедение сделало в начале 19 века, когда были разработаны новые методы исследования различных материалов. В 1831 году труды П. П. Аносова показали возможность исследовать металлы под микроскопом. После этого несколькими учеными из ряда стран были научно доказаны структурные превращения в металлах при их непрерывном охлаждении.

Через сто лет эра оптических микроскопов прекратила свое существование. Технология конструкционных материалов не могла делать новые открытия, пользуясь устаревшими методами. На смену оптике пришло электронное оборудование. Металловедение стало прибегать к электронным методам наблюдения, в частности, нейтронографии и электронографии. С помощью этих новых технологий возможно увеличение срезов металлов и сплавов до 1000 раз, а значит, оснований для научных выводов стало гораздо больше.

Теоретические сведения о строении материалов

В процессе изучения дисциплины студенты получают теоретические знания о внутренней структуре металлов и сплавов. По окончании курса слушателями должны быть получены следующие умения и навыки:

• о внутреннем ;
• об анизотропии и изотропии. Чем обусловлены эти свойства, и как на них можно воздействовать;
• о различных дефектах строения металлов и сплавов;
• о методах исследования внутренней структуры материала.

Практические занятия по дисциплине материаловедение

Кафедра материаловедения имеется в каждом техническом вузе. В период прохождения заданного курса студент изучает следующие методы и технологии:

• Основы металлургии — история и современные методы получения сплавов металлов. Производство стали и чугуна в современных доменных печах. Разливка стали и чугуна, методы повышения качества продукции металлургического производства. Классификация и маркировка стали, ее технические и физические характеристики. Выплавка цветных металлов и их сплавов, производство алюминия, меди, титана и других цветных металлов. Применяемое при этом оборудование.

Современное развитие материаловедения

В последнее время материаловедение получило мощный толчок развития. Потребность в новых материалах заставила ученых задуматься о получении чистых и сверхчистых металлов, ведутся работы по созданию различного сырья по изначально просчитанным характеристикам. Современная технология конструкционных материалов предлагает использование новых веществ взамен стандартных металлических. Больше внимания уделяется применению пластмасс, керамики, композиционных материалов, которые имеют параметры прочности, совместимые с металлическими изделиями, но лишены их недостатков.

Источник http://projectrussia.ru/vidy-chuguna-termin-chugun-poluchenie-i-primenenie-chuguna-svoistva-chuguna.html

Источник http://arenastem.ru/materialovedenie-i-tehnologii-materialov-chto-za-professiya-materialovedenie.html

Источник