1.
2. Исходные материалы и способы получения алюминия .
3. Свойства и применение древесины.
4.
1. Классификация свойств конструкционных материалов. Эксплуатационные свойства, их показатели.
Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
Конструкционные материалы подразделяются (рис. 1): по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т. п.); по условиям работы - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. д.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями . Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
Рис. 1. Схема классификации конструкционных материалов
При выборе материала для того или иного изделия или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения (соответствие цены и качества), сохранение конструкционных критериев (требуемые долговечность, прочность, надежность) и возможность переработки в изделие (технологические критерии – обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость и т. п.). С учетом данных критериев выбирают материал той или иной природы.
Металлические материалы. К ним относятся металлы и сплавы на их основе. Они в свою очередь подразделяются на несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:
1. Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны;
2. Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.;
3. Благородные металлы. К ним относятся золото, серебро, платина; 4. Редкоземельные металлы. Это лантан, неодим, празеодим.
Неметаллические материалы. Они также подразделяются на несколько групп:
1. Пластмассы. Это материалы на основе высокомолекулярных соединений – полимеров, в основном, с наполнителями;
2. Керамические материалы (керамика). Их основой являются порошки тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2 и др.;
3. Металлокерамические материалы (металлокерамика). В этих материалах основой является керамика, в которую добавляется некоторое количество металла, являющегося связкой и обеспечивающего такие свойства, как пластичность и вязкость;
4. Стекло. Оно представляет собой систему, состоящую из оксидов различных элементов, в первую очередь оксида кремния SiO2;
5. Резина. Это материалы на основе каучука - углеродноводородного полимера с добавле-нием серы и других элементов;
6. Дерево. Сложная органическая ткань древесных растений.
Композиционные материалы. Они представляют собой материалы, полученные искусственным путем из двух и более различных материалов, сильно отличающихся друг от друга по свойствам. В результате композиция по своим свойствам существенно отличается от свойств составляющих компонентов, т. е. получаемый материал имеет новый комплекс свойств. В состав композиционных материалов могут входить как металлические, так и неметаллические составляющие.
Классификация свойств конструкционных материалов
1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.
· Прочность – это способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних нагрузок;
· Твердость – это способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии;
· Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения;
· Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения;
· Хрупкость – это способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации.
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.
· Свет – это способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны;
· Плотность – это масса единицы объема вещества;
· Температура плавления – это температура, при которой вещество переходит из твердой фазы в жидкую;
· Электропроводность – это способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток;
· Теплопроводность – это способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому;
· Теплоёмктсть - это способность материала поглощать определенное количество теплоты;
· Магнитные свойства - способность материалахорошо намагничиваться;
· Коэффициент объемного и линейного расширения – характеризует изменение размеров тела при изменении температуры.
3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.
Литейные свойства; К ней относятся жидкотекучесть - способность металлов и сплавов течь по каналам формы и заполнять ее. Заполняемость - она характеризует способность металлов и сплавов воспроизводить контур отливок в особо тонких сечениях, где в значительной степени проявляется действие капиллярных сил. Объемная усадка - характеризует изменение объема металла при понижении температуры в жидком состоянии, в процессе затвердевания и при охлаждении твердого металла. Линейная усадка - отражает изменение линейных размеров отливки после образования на ее поверхности жесткого кристаллического скелета и охлаждения до комнатной температуры.
· Ковкость (важно при обработке давлением) - это способность металлов и сплавов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатка, волочение, прессование, штамповка);
· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);
· Обработка резанием;
· Прокаливаемость;
· Закаливаемость.
4.
Эксплуатационные свойства,
характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.
Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость, хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.
Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей - в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.
Хладостойкость - способность материалов, элементов, конструкций и их соединений сопротивляться хрупким разрушениям при низких температурах окружающей среды.
Жаропрочность - это способность металла сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах, когда имеет место явление ползучести. Критериями оценки жаропрочности являются кратковременная и длительная прочности, ползучесть.
Антифрикционность - это способность материала обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения и тем самым низкие потери на трение и малую скорость изнашивания сопряженной детали.
5. Химические свойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.
· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);
· Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);
· Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов - химикостойкость ));
· Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).
2. Исходные материалы и способы получения алюминия.
Алюминий – это один из важнейших металлов, причем количество его производства намного опережает объем выпуска всех остальных цветных металлов и уступает только производству стали. Высокая популярность алюминия обусловлена его уникальными физико - химическими свойствами, благодаря которым он нашел широкое применение в электротехнике , авиа - и автостроении, транспорте, производстве бытовой техники , строительстве, упаковке пищевых продуктов и пр.
В последнее время машиностроение во все большей мере требует легких металлов, особенно в авиастроении, ракетостроении, атомной промышленности и железнодорожном транспорте . Поэтому развитие новых и более экономичных методов получения алюминия и усовершенствование уже существующих методов имеет большое значение.
Электролиз криолитоглиноземных расплавов является основным способом получения алюминия, хотя некоторое количество алюминиевых сплавов получается электротермическим способом.
Первые промышленные электролизеры были на силу тока до 0,6 кА и за последующие 100 лет она возросла до 300 кА. Тем не менее, это не внесло существенных изменений в основы производственного процесса.
Общая схема производства алюминия представлена на рис. 2. Основным агрегатом является электролизер. Электролит представляет собой расплав криолита с небольшим избытком фторида алюминия, в котором растворен глинозем. Процесс ведут при переменных концентрациях глинозема приблизительно от 1 до 8 % (масс.). Сверху в ванну опущен угольный анод , частично погруженный в электролит. Существуют два основных типа расходуемых анодов: самообжигающиеся и предварительно обожженные. Первые используют тепло электролиза для обжига анодной массы, состоящей из смеси кокса-наполнителя и связующего – пека. Обожженные аноды представляют собой предварительно обожженную смесь кокса и пекового связующего.
Рис. 2 Схема производства алюминия из глинозема.
Расплавленный алюминий при температуре электролиза (950 – 960°С) тяжелее электролита и находится на подине электролизера. Криолитоглиноземные расплавы – очень агрессивны, противостоять которым могут углеродистые и некоторые новые материалы. Из них и выполняется внутренняя футеровка электролизера.
Для преобразования переменного тока в постоянный на современных заводах применяются полупроводниковые выпрямители с напряжением 850В и коэффициентом преобразования 98,5%, установленные в кремниевой преобразовательной подстанции (КПП). Один выпрямительный агрегат дает ток силой до 63 кА. Число таких агрегатов зависит от необходимой силы тока, так как все они включены параллельно.
Процесс, протекающий в электролизере, состоит в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На жидком алюминиевом катоде выделяется алюминий, который периодически выливается с помощью вакуум-ковша и направляется в литейное отделение на разливку или миксер, где в зависимости от дальнейшего назначения металла готовятся сплавы с кремнием, магнием, марганцем, медью или проводится рафинирование. На аноде происходит окисление выделяющимся кислородом углерода. Отходящий анодный газ представляет собой смесь СО2 и СО.
Электролизеры обычно снабжены укрытиями, отводящими отходящие газы, и системой очистки. Это снижает выделение вредных веществ в атмосферу. Технологический процесс требует, чтобы укрытие было герметично для обеспечения отсоса газа в коллектор с помощью вентиляторов . В удаляемых газах от электролизеров преобладают диоксид углерода (большая часть оксида углерода дожигается либо над электролитом, либо в специальных горелках после газосборного колокола), азот , кислород, газообразные и твердые фториды и частицы глиноземной пыли. Для их удаления и возвращения в процесс применяются различные технологические схемы.
Современные электролизеры оборудованы системой автоматического питания глиноземом (АПГ) с периодом загрузки 10 – 30 мин.
Суммарная реакция, происходящая в электролизере, может быть представлена уравнением
Таким образом, теоретически на процесс электролиза расходуются глинозем и углерод анода, а также электроэнергия, необходимая не только для осуществления электролитического процесса – разложения глинозема, но и для поддержания высокой рабочей температуры. Практически расходуется и некоторое количество фтористых солей, которые испаряются и впитываются в футеровку. Для получения 1 т алюминия необходимо:
Производство алюминия является одним из самых энергоемких процессов, поэтому алюминиевые заводы строят вблизи источников энергии.
Все материалы, поступающие на электролиз, должны иметь минимальное количество примесей более электроположительных, чем алюминий (железо, кремний, медь и др.), так как эти примеси при электролизе практически полностью переходят в металл.
Электротермическое получение алюминиево-кремниевых сплавов.
Получить чистый алюминий непосредственным восстановлением его оксида невозможно. Карботермические процессы требуют высоких температур (около 2000°С) для восстановления глинозема и при отсутствии сплавообразующих компонентов металл связывается с углеродом, давая карбид алюминия (А14С3). Известно, что карбид алюминия и алюминий растворимы друг в друге и образуют весьма тугоплавкие смеси. Кроме того, А14С3 растворяется в А12О3, поэтому в результате восстановления оксида алюминия углеродом получаются смеси алюминия, карбида и оксида, имеющие высокие температуры плавления. Выпустить такую массу из печи обычно не представляется возможным. Даже если это и удается сделать, потребуются большие затраты на разделение.
Общая технологическая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов представлена на рис. 3. В качестве исходного сырья, кроме каолинов (Al2O3×2SiO2×2H2O), могут быть использованы кианиты (Al2O3×SiO2), дистенсиллиманиты (Al2O3×SiO2) и низкожелезистые бокситы.
Сплав после электроплавки поступает на очистку от неметаллических примесей. Для этого подают флюс, состоящий из смеси криолита и хлорида натрия, который смачивает эти примеси и "собирает" их. Рафинированный силикоалюминий имеет средний состав (%): А1 – 61; Si – 36; Fe – 1,7; Ti – 0,6; Zr – 0,5; Ca – 0,7. Этот сплав не годится для производства силумина и требует очистки от железа. Наиболее распространен способ очистки марганцем, который образует с железом тугоплавкие интерметаллиды.
Рис. 3. Общая схема производства алюминиево-кремниевых сплавов.
Полученный сплав разбавляют техническим электролитическим алюминием или вторичным алюминием до состава, отвечающего различным сортам силуминов, и разливают в слитки.
Преимущества такого способа получения силумина перед сплавлением электролитического алюминия с кристаллическим кремнием состоят в следующем: большая мощность единичного агрегата – современные печи имеют мощность 22,5 MB×A, что примерно в 30 раз выше мощности электролизера на 160 кА, а, следовательно, уменьшение грузопотоков , снижение капитальных затрат и затрат труда; применение сырья с низким кремниевым модулем, запасы которого в природе достаточно велики.
Теоретически из алюминиево-кремниевого сплава можно выделить различными приемами чистый алюминий. Однако из-за сложности аппаратурного и технологического оформления в промышленности эти способы в настоящее время не реализуются.
Тот-процесс
Схема получения алюминия по способу Тота представлена на рис. 4. Алюминийсодержащее сырье после соответствующей подготовки хлорируют в кипящем слое в присутствии кокса и SiCl4. Последний используется для подавления реакции хлорирования SiO2. В результате хлорирования в печах кипящего слоя (КС) получается парогазовая смесь (ПГС), в состав которой входят А1С13, FeCl3, TiCl4 и SiCl4. В первом конденсаторе из ПГС выделяется около 75 % FeCl3 в твердом состоянии и направляется в реактор-окислитель, где взаимодействует с кислородом воздуха, в результате чего образуются Fe2O3 и С12. Хлор возвращается на хлорирование. Во втором конденсаторе выделяется оставшийся FeCl3 и происходит конденсация А1С13. Хлориды титана и кремния конденсируются в третьем конденсаторе. Разделение этих хлоридов осуществляется в ректификационной колонне.
Рис. 4. Схема получения алюминия по методу Тота.
Хлориды алюминия и железа, выгруженные из второго конденсатора, нагреваются, перекачиваются в контактный очиститель, где контактируют в противотоке с подвижным слоем твердых частиц алюминия. При этом идет реакция:
Очищенный хлорид алюминия поступает на металлотермическое восстановление. Технически доступными восстановителями, имеющими большее сродство к хлору, чем алюминий, являются натрий, магний и марганец. Однако первые два элемента дороги и их производство весьма энергоемко. Поэтому, по мнению разработчиков процесса, определенные преимущества имеет использование марганца, который можно регенерировать из хлорида карботермическим методом со значительно меньшими энергозатратами. При восстановлении хлорида алюминия марганцем протекают реакции:
Алюминий из смеси МпС12 с непрореагировавшим А1С13, выделяется в циклонных сепараторах, а хлориды марганца и алюминия разделяются в выпарном аппарате. Хлорид алюминия возвращается в реактор для получения алюминия, а хлорид марганца взаимодействует с кислородом с образованием твердых оксидов марганца и хлора. Оксид марганца восстанавливается до металла карботермическим методом в шахтных печах, куда загружают кокс и известняк. Марганец в печь добавляется для восполнения потерь его в ходе процесса.
К недостаткам данного процесса, как и других металлотермических методов, относятся загрязнение получаемого продукта металлом-восстановителем, необходимость организации производства по регенерации восстановителя и увлечение капитальных затрат.
Электролиз хлоридных расплавов
В январе 1973 г. фирма "Alcoa", один из мировых лидеров по производству и переработке алюминия, заявила о разработке нового способа получения алюминия.
Принципиальная технологическая схема представлена на рис. 5.
Хлорид алюминия имеет высокое сродство к воде и тенденцию к образованию оксидов и гидрооксихлоридов. В связи с этим получение его в чистом виде является трудной задачей. Присутствие влаги вызывает коррозию, а присутствие кислородсодержащих соединений приводит к выделению осадков и окислению анодов. Фирмой "Alcoa" предложено хлорирование очищенного глинозема, что частично решает названные проблемы. Тем не менее, необходимо соблюдать повышенные требования к чистоте углерода при хлорировании в отношении водорода или влаги.
Рис. 5. Технологическая схема получения алюминия из хлорида.
Полученный хлорид алюминия в гранулированном или парообразном состоянии поступает на электролиз. Электролизер, используемый в данной технологии, состоит из стального кожуха, футерованного шамотным и в нижней части дополнительно диатомовым кирпичом, т. е. теплоизоляционным непроводящим огнеупорным материалом, который слабо взаимодействует с хлоридными расплавами. На дне ванны расположен графитовый отсек для сбора жидкого алюминия. На крышке электролизера имеются отверстия для загрузки хлорида алюминия, периодического отсоса алюминия и непрерывного вывода газообразного хлора, используемого в производстве хлорида алюминия. Боковые стенки и крышка электролизера – водоохлаждаемые.
При электролизе используются графитовые нерасходуемые электроды. Это преимущество (по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов) вместе с относительно низкой температурой процесса (около 700ºС) дает возможность полной герметизации электролизеров.
Электролитическое разложение хлорида алюминия теоретически требуют более высокого напряжения, чем электролиз криолитоглиноземных расплавов, так как напряжение разложения хлорида алюминия много больше. Таким образом, к недостаткам процесса можно было бы отнести необходимость подвода в электролизер большого количества тепла и значительные потери напряжения. Однако высокие омические и тепловые потери значительно снижаются при использовании системы биполярных электродов. В электролизере верхний электрод является анодом, нижний – катодом, а между ними располагаются графитовые электроды, верхняя часть которых является катодом, а нижняя – анодом. В то же время результаты расчетов показывают, что с ростом числа биполярных электродов и снижением площади их сечения возрастают токи утечки, т. е. часть тока протекает по пропитанной электролитом части футеровки и каналам между футеровкой и биполями, не совершая электрохимическую работу. Эти токи утечки приводят к снижению выхода по току.
Вследствие близости температур плавления и кипения при атмосферном давлении хлорид алюминия возгоняется практически не плавясь. Температура сублимации составляет 180,2°С. Тройная точка соответствует температуре 192,6°С и абсолютному давлению 0,23 МПа. В связи с этим в качестве электролита используется расплавленная смесь хлорида алюминия (5 ± 2 % (масс.)), хлорида лития (~28% (масс.)) и хлорида натрия (67% (масс.)). В указанных расплавах снижается активность А1С13. Это в значительной степени обусловлено тем, что в расплавленных смесях хлоридов А1С13 связывается в комплексные анионы.
Основные прогнозируемые и подтвержденные при промышленном внедрении в США преимущества предложенного фирмой «Alcoa» способа производства алюминия электролизом его хлорида по сравнению с электролизом криолитоглиноземных расплавов заключаются в возможности использования низкокачественного алюминийсодержащего сырья, снижении примерно на 30 % удельного расхода электроэнергии при электролизе, исключении расхода высококачественных углеродсодержащих электродных материалов, применении менее дефицитных и агрессивных хлоридов вместо фторидов, повышении производительности труда, снижении капитальных вложений , приведенных затрат, стоимости конечной продукции и вредных выбросов в окружающую среду.
Таким образом, наиболее перспективным из альтернативных способов получения алюминия является электролиз хлорида алюминия в электролизерах с биполярными электродами.
3. Свойства и применение древесины .
Огромные пространства нашей планеты покрывают леса, они занимают около одной трети суши. Основным продуктом леса является древесина. По типу лесной растительности различают хвойные леса теплого умеренного климата, экваториальные дождевые леса, тропические влажные лиственные леса, леса сухих областей.
Древесина с древних времен используется для строительства жилищ , изготовления предметов домашнего обихода, для средств транспорта и разных изделий. Со временем наряду с древесиной в строительстве стали применяться металл, цемент, черепица, стекло, пластические массы.
Надо отметить, что древесина имеет и ряд недостатков: изменчивость свойств в направлении вдоль оси ствола и поперек; обладает гигроскопичностью, что приводит к увеличению ее массы и уменьшению прочности, а при высыхании древесина уменьшается в размерах (происходит усушка); она растрескивается и коробится; поражается грибами, что приводит к гниению; древесина способна гореть. Перечисленные недостатки в значительной мере устраняются путем химической и химико-механической переработки древесины в листовые и плитные материалы – бумагу, картон, древесностружечные и древесноволокнистые плиты, фанеру и др.
Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни. Ствол связывает корневую систему с кроной дерева. Ствол дает основную массу древесины (от 50 до 90% объема всего дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхняя тонкая часть ствола называется вершиной, нижняя толстая часть – комлем. Древесина занимает наибольшую часть объема ствола. Диаметр ствола изменяется в широких пределах, примерно от 6-8 до 100 см. Форма поперечного сечения ствола и, следовательно, древесины чаще всего близка к окружности, но иногда сечение приобретает форму эллипса. Диаметр уменьшается по высоте ствола. В верхней части ствола древесину пронизывают сучки, представляющие собой остатки ветвей. Снаружи древесину покрывает кора, относительный объем которой для основных пород приведен в таблице:
|
Порода |
Объем коры, % |
|
Лиственница | |
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
1. Химические свойства древесины
Химический состав древесины и коры. Древесина в основном состоит из органических веществ. Элементарный химический состав древесины всех пород практически одинаков. Органическая часть абсолютно сухой древесины (высушенной при 103оС) содержит в среднем 49-50 % углерода, 43-44 % кислорода, около 6 % водорода и 0,1-0,3 % азота.
Неорганическая часть может быть выделена в виде золы путем сжигания древесины. Количество золы в древесине около 0,2-1 %. В состав золы входят кальций, калий, натрий, магний, в меньших количествах фосфор, сера и другие элементы. Они образуют минеральные вещества, большая часть которых нерастворима в воде. Среди растворимых первое место занимают щелочные – поташ и сода, а из нерастворимых – соли кальция.
Химические элементы образуют сложные органические соединения. Главные из них – целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза, входящие в состав клеточных стенок древесины. Остальные вещества называются экстрактивными. Это смолы, дубильные и красящие вещества.
2. Физические свойства древесины
Физическими свойствами древесины называются такие, которые определяют без нарушения целостности испытываемого образца и изменения ее химического состава, т. е. выявляют путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.
К физическим свойствам древесины относятся: внешний вид и запах, плотность, влажность и связанные с ней изменения – усушка, разбухание, растрескивание и коробление.
Внешний вид древесины определяется ее цветом, блеском, текстурой и макроструктурой.
Запах древесины зависит от находящихся в ней смол, эфирных масел, дубильных и других веществ. Характерный запах скипидара имеют хвойные породы – сосна, ель. Дуб имеет запах дубильных веществ, бакаут и палисандр – ванили. Приятно пахнет можжевельник, поэтому его ветви применяют при запаривании бочек. Большое значение имеет запах древесины при изготовлении тары. В свежесрубленном состоянии древесина имеет более сильный запах, чем после высыхания.
Влажность древесины. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, так как приводит к ряду отрицательных явлений.
Влажностью (абсолютной) древесины называется отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах.
Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при высыхании. Она начинается после полного удаления из древесины свободной влаги и с начала удаления связанной влаги, т. е. когда ее влажность снизится за предел насыщения клеточных стенок.
Разбухание – это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды.
3 Механические свойства древесины
Механические свойства характеризуют способность древесины сопротивляться действию усилий. К механическим свойствам древесины относятся прочность и деформативность, а также некоторые эксплуатационные и технологические свойства.
Прочность – способность древесины сопротивляться разрушения под действием механических усилий; характеристикой ее является предел прочности – максимальное напряжение, которое выдерживает древесина без разрушения. Показатели пределов прочности устанавливают при испытании древесины на сжатие, растяжение, изгиб, сдвиг и редко при кручении.
Деформативностью называется изменение формы и размеров древесины под действием внешних сил.
Твердость – это свойство древесины сопротивляться внедрению тела определенной формы.
Ударная вязкость характеризует способность древесины поглощать работу при ударе без разрушения. Определяется при испытаниях на изгиб. Чем больше требуется затратить работы на разрушение образца, тем выше вязкость.
Износостойкость древесины – способность поверхностных слоев противостоять износу, т. е. разрушению в процессе трения.
Древесина используется для получения различных древесных материалов. К этим материалам относятся: круглые материалы, пиленые, строганные, лущеные, колотые лесоматериалы, измельченная древесина, композиционные древесные материалы. Все эти материалы широко используются в мебельной промышленности, судостроении, вагоностроении, машиностроении, электротехнике, строительстве, при изготовлении стандартных деревянных домов , в производстве автомобилей , пластмасс, линолеума, промышленных взрывчатых веществ, для упаковки продовольственных и промышленных товаров, для изготовления фибриловых плит и др., а также в других отраслях промышленности в качестве конструкционного, изоляционного и отделочного материала .
4. Чугун. Маркировка, свойства и применение серого чугуна.
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С (рис. 6).
Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4.0 – 4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.
Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (F3C - цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той или иной формы, называются графитизированными.
Рис. 6. Структурная диаграмма состояния системы железо-цементит
В зависимости от формы графитных включений графитизированный чугун бывает серым, высокопрочным, ковким чугуны и с вермикулярным графитом.
Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения отливок, чем белые. Они содержат 1 – 3 %Si – обладающего сильным графитизирующим действием.
Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки, поршни и т. д.
Механические свойства серого чугуна
|
Марка чугуна |
Предел прочностипри растяжении, кгс/мм2, не менее |
Предел прочностипри изгибе, кгс/мм2, не менее |
Стрела прогиба, мм, при расстоянии между опорами, мм |
Твердость по Бринеллю, НВ |
|
|
Испытания не производятся |
|||||
Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включении на светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят механические свойства серого чугуна.
Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося (несвязанного) углерода (рис. 7).
Полнота графитизации зависит от многих факторов, из которых главными являются скорость охлаждения и состав сплава. При быстром охлаждении кинетически более выгодно образование цементита, а не графита. Чем медленнее охлаждение, тем больше степень графитизации. Кремний действует в ту же сторону, что и замедление охлаждения, т. е. способствует графитизации, а марганец – карбидообразующий элемент – затрудняет графитизацию.
Рис. 7. Классификация чугунов по структуре металлической основы и в форме
графитовых включений
Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то чугун содержит две структурные составляющие – графит и феррит. Если же эвтектоидный распад аустенита прошел в соответствии с метастабильной системой
эвтектоид (перлит), то структура чугуна состоит из графита и перлита. Такой сплав называют серым чугуном на перлитной основе. Также возможен промежуточный вариант, когда аустенит частично распадается по эвтектоидной реакции на феррит и графит, а частично с образованием перлита. В этом случае чугун содержит три структурные – графит, феррит и перлит. Такой сплав называют серым чугуном на феррито-перлитной основе.
Феррит и перлит в металлической основе чугуна имеют те же микроструктурные признаки, что и в сталях. Серые чугуны содержат повышенное количество фосфора, увеличивающего жидкотекучесть и дающего тройную эвтектику.
В металлической основе серого чугуна фосфидная эвтектика обнаруживается в виде светлых, хорошо очерченных участков.
Конструкционные материалы, используемые в химическом маши - ностроении, условно делятся на четыре класса:
Цветные металлы и сплавы;
Неметаллические материалы.
Стали. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2%. Кроме того, в состав стали входят примеси кремния, марганца, а также серы и фосфора.
Стали по химическому составу делятся на несколько групп:
Углеродистые обыкновенного качества;
Углеродистые конструкционные;
Легированные конструкционные и др.
Сталь углеродистую обыкновенного качества изготавливают в зависимости от химического состава по ГОСТ 380-88 и ГОСТ 16523-88. Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий - 1,2, 3,4, 5, 6 - чем больше номер, тем выше механическая прочность стали и ниже ее пластичность. По степени раскисления стали всех
В табл. 12.1 приведены примеры использования углеродистой стали обыкновенного качества в химическом машиностроении.
Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышаются после термической обработки, которая для проката может выражаться в его закалке либо непосредственно после проката, либо после специального нагрева.
Например, термическое упрочнение листового проката из стали марок СтЗ, СтЗкп при охлаждении в воде повышает предел текучести более чем в 1,5 раза при высоком (15+26%) относительном удлинении.
Термическая обработка низкоуглеродистых сталей не только улучшает механические свойства сталей, но и приносит значительный экономический эффект.
Стали углеродистые конструкционные выпускаются по ГОСТ 1050-74 следующих марок: 08, 10, 15, 20, 25, 30,40,45, 55, 58 и 60. В зависимости от степени раскисления по ГОСТ 1050-88 выпускаются следующие марки стали: 05кп, 08кп, 08пс, Юкп, Юпс, 11кп, 15кп, 18кп, 20кп и 20пс.
В табл. 12.2 приведены примеры использования углеродистой конструкционной стали в химическом машиностроении.
|
Таблица 12.2. Углеродистая сталь конструкционная |
Для улучшения физико-механических характеристик сталей и придания им особых свойств (жаропрочность, кислотостойкость, жаростойкость и др.) в их состав вводят определенные легирующие добавки.
Наиболее распространенные легирующие добавки:
Хром (X) - повышает твердость, прочность, химическую и коррозионную стойкость, термостойкость;
Никель (Н) - повышает прочность, пластичность и вязкость;
Вольфрам (В) - повышает твердость стали, обеспечивает ее самозакаливание;
Молибден (М) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость;
Марганец (Г) - повышает твердость, увеличивает коррозионную стойкость, понижает теплопроводность;
Кремний (С) - повышает твердость, прочность, пределы текучести и упругости, кислотостойкость;
Ванадий (Ф) - повышает твердость, предел текучести при растяжении, вязкость, улучшает свариваемость стали и увеличивает стойкость к водородной коррозии;
Титан (Т) - увеличивает прочность и повышает коррозионную стойкость стали при высоких (> 800 °С) температурах.
Обычно в состав легированных сталей входят несколько добавок. По общему содержанию легирующих добавок легированные стали делят на три группы:
Низколегированные - с содержанием добавок до 3%;
Среднелегированные - с содержанием добавок от 3 до 10%;
Высоколегированные - с содержанием добавок > 10%.
В табл. 12.3 приведены примеры использования легированных сталей в химическом машиностроении.
|
Таблица 12.3. Легированные конструкционные стали
|
|
Продолжение табл. 12.3
|
|
Окончание табл. 12.3
|
Существенное значение для улучшения качества стали имеет химико-термическая обработка, т. е. процесс насыщения поверхности стали различными элементами с целью упрочнения се поверхностного слоя, увеличения поверхностной твердости, жаростойкости и химической стойкости.
К основным видам химико-термической обработки изделий из стали относятся:
Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя углеродом, что улучшает его прочность и твердость;
Азотирование - процесс насыщения поверхностного слоя азотом, что повышает стойкость изделий к истиранию и атмосферной коррозии;
Алитирование - процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, что повышает стойкость к окислению при температурах 800-5-1000 °С;
Хромирование - поверхностное насыщение изделий хромом, что значительно повышает твердость, износостойкость и коррозионную стойкость в воде, азотной кислоте, атмосфере и газовых средах при высоких температурах.
Дальнейшее улучшение качества химико-термической обработки сталей развивается по двум направлениям: насыщение диффузионного слоя азотом и упрочнение деталей термоциклической обработкой в процессе насыщения. Основой новых технологических процессов стала нитроцементация со ступенчатым возрастанием расхода аммиака.
Толщина слоя при этом увеличивается до 1-2 мм и более, возрастает его твердость.
Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и других металлургических добавок: кремния, марганца, фосфора и серы. Содержание углерода в чугунах колеблется от 2,8 до 3,7%, при лом большая его часть находится в свободном состоянии (графит) и только около 0,8-М),9% находится в связанном состоянии в виде цементита (карбида железа - РеС). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:
Чугун серый - в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита;
Чугун белый - в структуре которого углерод выделяется в связанном состоянии;
Чугун отбеленный - в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна;
Чугун половинчатый - в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.
Детали из чугуна изготавливают методом литья в земляных и металлических формах. Из чугуна получают детали сложной конфигурации, которые невозможно получить другими методами, например, ковкой или резанием.
Серый чугун является ценным конструкционным материалом, так как, имея сравнительно низкую стоимость, он обладает неплохими механическими свойствами.
Существенным недостатком серых чугунов является их низкая пластичность. Поэтому ковка и штамповка серого чугуна даже в нагретом состоянии невозможна.
Марки серых чугунов (СЧ) обычно содержат два числа: первое характеризует предел прочности на растяжение, второе - предел прочности на изгиб, например, СЧ 12-28; СЧ 18-36 и др.
Серые чугуны обладают низкой химической стойкостью, и детали из них не могут работать в агрессивных средах.
Для повышения качества чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации жидкого чугуна, изменяя его механические свойства.
Различают ковкий чугун и высокопрочный чугун. Ковкий чугун (КЧ) отличается от серого чугуна пониженным содержанием углерода и кремния, что делает его более пластичным, способным выдерживать значительные деформации (относительное удлинение КЧ составляет 3-10%). Высокопрочный чугун (ВЧ) является разновидностью ковкого чугуна, высокие прочностные характеристики которого достигаются модифицированием присадками магния и его сплавов. Ковкий и высокопрочный чугуны идут на изготовление коленчатых валов, цилиндров малых компрессоров и других фасонных тонкостенных деталей.
Широкое применение в химическом машиностроении имеют легированные чугуны, в состав которых входят легирующие элементы: никель, хром, молибден, ванадий, титан, бор и лр.
По суммарному содержанию легирующих добавок чугупы делят на три группы:
Низколегированные - легирующих добавок до 3%;
Среднелегированные - легирующих добавок о г 3 до 10%;
Высоколегированные - легирующих добавок более 10%.
Легирование позволяет существенно улучшить качество чугуна и
Придать ему особые свойства. Например, введение никеля, хрома, молибдена, кремния повышает химическую стойкость и жаропрочность чугуна; никелевые чугуны с добавкой меди (5-6%) надежно работают со щелочами; высокохромные (до 30% Сг) устойчивы к действию азотной, фосфорной и уксусной кислот, а также хлористых соединений; чугун с добавкой молибдена до 4% (антихлор) хорошо противостоит действию соляной кислоты.
Цветные металлы и их сплавы. Цветные металлы и их сплавы применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются алюминий, медь, никель, свинец, титан, тантал и их сплавы.
Алюминий. Обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированной азотной кислоты, разбавленной серной кислоты, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Высокая коррозионная стойкость металла обусловлена образованием на его поверхности защитной оксидной пленки, предохраняющей его ог дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия в значительной степени зависят от температуры. Например, при увеличении температуры от 30 °С до 200 °С значения допускаемого напряжения на растяжение снижаются в 3-3,5 раза, а на сжатие - в
5 раз. Верхняя предельная температура применения алюминия 200 °С. Алюминий не стоек к действию щелочей.
Медь. Взаимодействие меди с кислородом начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красного цвета). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах и поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты, относительно устойчива к действию органических кислот. Широкое распространение получили сплавы меди с другими компонентами: оловом, цинком, свинцом, никелем, алюминием, марганцем, золотом и др. Наиболее распространенными являются сплавы меди с цинком (латуни), с оловом (бронзы), с никелем (ЛАН), с железом и марганцем (ЛЖМ), цинком (до 10% цинка - томпак; до 20% - полутомпак; более 20% - константаны, манганины и др.).
Свинец - обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно, к серной кислоте, вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая мягкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивают применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца в качестве легирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит (свинец, олово, медь, сурьма).
Никель - обладает высокой коррозионной стойкостью в поде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и темперагурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, не стоек к действию азотной кислоты. Широко применяется в различных отраслях техники, главным образом для получения жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физико-химическими свойствами. Никель-медные сплавы обладают улучшенными механическими свойствами и повышенной коррозионной стойкостью.
Никедьхромсодержащие жаропрочные сплавы. Никелевые сплавы, легированные хромом и вольфрамом, являются стойкими в окислительных средах. Никелевые сплавы с добавкой меди, молибдена и железа стойкие в неокислитсльных средах. Никель-медные сплавы с добавлением кремния стойкие в горячих растворах серной кислоты, а сплавы никеля с молибденом обладают повышенной стойкостью к действию соляной кислоты.
Титан и тантал. Титан химически стоек к действию кипящей азотной кислоты и царской водки всех концентраций, нитритов, нитратов, сульфидов, органических кислот, фосфорной и хромовой кислот. Однако изделия из титана в 8-10 раз дороже изделий из хромоникелевых сталей, поэтому применение титана в качестве конструкционного материала ограничено. Тантал химически стоек к действию кипящей соляной кислоты, царской водки, азотной, серной, фосфорной кислот. Однако не обладает стойкостью к действию щелочей.
Титан и тантал по механическим свойствам не уступают высоколегированным сталям, а по химической стойкости намного превосходят их. Эти ценные металлы находят широкое применение в химическом машиностроении как в чистом виде, так и в виде сплавов.
Неметаллические конструкционные материалы. Применение в химическом машиностроении неметаллических конструкционных материалов позволяет экономить дорогостоящие и дефицитные металлы.
Фторопласт (тефлон) - элементы конструкций из фторсодержащих полимеров обладают высокой стойкостью практически во всех агрессивных средах в широком интервале температур.
Углеграфитовые материалы ~ графит, пропитанный фенолфор - мальдегидной смолой, или графитопласт, - прессованная пластмасса на основе фснолформальдегидной смолы с графитовым наполнителем. Обладают высокой коррозионной стойкостью в кислых и щелочных средах.
Стекло и эмали. Стекло применяется в качестве конструкционного материала в производствах особо чистых веществ. Эмали - специальные силикатные стекла, обладающие хорошей адгезией с металлом. Промышленностью выпускаются чугунные и стальные эмалированные аппараты, работающие в широком интервале температур от -15 до +250 °С при давлениях до 0,6 МПа.
Керамика - выпускается кислотоупорный кирпич для футеровки химического оборудования, крупноблочная керамика для аппаратов башенного типа, например, в производстве серной кислоты. Кера - мические материалы обладают высокой устойчивостью ко многим агрессивным средам, исключение составляют щелочные среды. Трубопроводы из кислотостойкой керамики широко применяют для транспортировки серной и соляной кислот.
Фарфор - обладает высокой стойкостью ко всем кислотам, за исключением плавиковой. Недостаточно стоек к действию щелочей. Фарфор используется в качестве конструкционного материала в производствах, где к чистоте продуктов предъявляются повышенные требования.
Винипласт - термопластичная масса, обладающая высокой устойчивостью почти во всех кислотах, щелочах и растворах, за исключением азотной и олеума. Детали из винипласта надежно работают в интервале температур 0-40 °С и давлении до 0,6 МПа.
Асбовинил - композиция из кислотостойкого асбеста и лака, обладающая сравнительно высокой стойкостью к действию большинства кислот и щелочей в интервале температур от -50 до +110 °С.
Полиэтилен, полипропилен - термопластичные материалы, стойкие к действию минеральных кислот и щелочей при условиях:
Полиэтилен - температура от -60 до +60 “С, давление до 1 МПа;
Полипропилен - температура от -10 до +100 °С, давление до
Фаолит - кислотостойкая пластмасса с наполнителями: асбест, графит, кварцевый песок. Используют при температуре до 140 СС и давлении до 0,06 МПа. Фаолит стоек к действию многих кислот, в том числе серной (концентрацией до 50%), соляной (всех концентраций), уксусной, муравьиной (до 50%), фосфорной, а также бензола, но не стоек в растворах щелочей и окислителей.
Текстолит - по механической прочности превосходит фаолит и отличается высокой стойкостью к агрессивным средам, в том числе к кислотам - серной (концентрацией до 30%), соляной (до 20%),
Фосфорной (до 25%), уксусной (всех концентраций). Верхний температурный предел применения текстолита 80 °С.
Пропитанный графит - графит, полученный после прокалки каменноугольной смолы и пропитанный связующими смолами - фенол - форматьдегидными, кремнеорганическими, эпоксидными и др.
Вследствие хорошей теплопроводности пропитанного графита его широко применяют для изготовления теплообменников и трубопроводной арматуры. Пропитанный графит стоек во многих химически активных средах, в том числе в кислотах - азотной (низкой концентрации), плавиковой (концентрацией до 40%), серной (до 50%), соляной, уксусной, муравьиной, фосфорной. Некоторые сорта пропитанного графита стойки к действию щелочей.
Жаропрочный кислотостойкий бетон - применяется для бетонирования дниш башенного оборудования сернокислотного производства, дня изготовления фундаментов под оборудование. Надежно работает в условиях 900-1200 °С. В последнее время находят применение полимербетоны на основе органических смол, которые обладают высокой стойкостью к действию концентрированных кислот, щелочей, бензола, толуола и фторсодержащих сред.
Природные силикатные материалы: диабаз, базальт, асбест, хризотил, андезит обладают высокой кислотостойкостью, исключение составляет хризотил, который не стоек в кислотах, но устойчив к действию щелочей. Все эти материалы обладают хорошими физико-механическими свойствами и широко используются в качестве конструкционных теплоизоляционных и футеровочных материалов.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, материалы, предназначенные для изготовления конструкций (деталей машин или механизмов, приборов, сооружений, транспортных средств и др.), воспринимающих механические нагрузки. Конструкционные материалы (в отличие от других технических материалов - оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и пр.) должны иметь высокую конструкционную прочность, обеспечивающую их надёжную и длительную работу в условиях эксплуатации. К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним (статическим, циклическим и ударным) нагрузкам - прочность, удельная прочность (особенно для конструкционных материалов, используемых в авиа- и ракетостроении), жаропрочность, выносливость и вязкость разрушения (сопротивление материала образованию трещин). В ряде случаев важными характеристиками конструкционных материалов также являются износо-, термо- и коррозионная стойкость, свариваемость, прокаливаемость и др. На механические свойства конструкционных материалов оказывает влияние (преимущественно негативное) рабочая среда, вызывая повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания или изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание металлических конструкций). Конструкционные материалы эксплуатируются в широком температурном диапазоне - от -269 до 2500 °С; для обеспечения работоспособности при высокой температуре материал должен обладать жаропрочностью, при низкой - хладостойкостью. От технологичности конструкционных материалов (их обрабатываемости резанием, давлением, способности к литью и др.) зависит качество изготовления деталей.
Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов - на металлические, неметаллические и композиционные материалы, по технологическому исполнению - на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и др.); по условиям эксплуатации - на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и др.; по критериям прочности - на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности и высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Наибольшее распространение среди металлических конструкционных материалов получили конструкционная сталь и чугун. Конструкционные стали характеризуются широким диапазоном предела прочности - 200-3000 МПа; применяются в строительстве, авто-, авиа-, тракторо-, судостроении и др. Предел прочности чугунов в зависимости от легирования колеблется от 110 МПа (чугаль) до 1350 МПа (чугун, легированный магнием). Чугуны широко используются в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колёс, цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей, работающих при температуре до 1200 °С в окислительной среде, и др. Сплавы на основе цветных металлов также широко применяются в различных областях техники. Никелевые сплавы и кобальтовые сплавы сохраняют прочность и жаропрочность до 1000-1100 °С, интерметаллидные сплавы на основе соединения Ni 3 Al - до 1200 °С; применяются в авиационных и ракетных двигателях, паровых и газовых турбинах, аппаратах, работающих в агрессивных средах, и др. Алюминиевые сплавы по удельной жёсткости значительно превосходят стали, предел прочности деформируемых сплавов составляет до 750 МПа, литейных - до 550 МПа; служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов и др. Магниевые сплавы отличаются малой плотностью (в 4 раза меньше, чем у стали), имеют предел прочности до 400 МПа и выше; применяются преимущественно в виде литых деталей в конструкциях ЛА, в автомобилестроении, в полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы (предел прочности до 1600 МПа и более) превосходят стали и алюминиевые сплавы по удельной прочности, коррозионной стойкости и жёсткости; служат для изготовления компрессоров авиационных двигателей, аппаратов нефтеперерабатывающей и химической промышленности и др. Циркониевые сплавы, наряду с малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов, обладают прочностью, пластичностью и коррозионной стойкостью в агрессивных средах; используются в ядерной энергетике для элементов конструкции активной зоны реакторов АЭС. Повышение эксплуатационных свойств металлических конструкционных материалов, получаемых традиционными методами, связано с использованием легированных и нанокристаллических металлических порошков.
Неметаллические конструкционные материалы включают полимерные материалы, керамику, огнеупоры, стёкла, резины, древесину. Термопласты (полистирол, полиметилметакрилат, полиамиды, фторопласты), а также реактопласты используются в деталях электро- и радиооборудования, узлах трения, работающих в различных средах, в том числе в химически активных: топливах, маслах и др. Стёкла (силикатные, кварцевые, органические) и триплексы на их основе служат для остекления судов, самолётов, ракет; из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Огнеупоры применяются преимущественно в чёрной и цветной металлургии при изготовлении огнеупорных футеровок в агрегатах, работающих в условиях высоких температур (более 900 °С). Резины на основе различных каучуков, упрочнённые кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колёс самолётов и автомобилей, а также различных подвижных и неподвижных уплотнений. Древесина используется в качестве шпал, крепи для угольной и горнорудной промышленности, для производства строительных конструкций, домов и др.
Композиционные конструкционные материалы по удельной прочности и удельному модулю упругости на 50-100% превосходят стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают снижение массы конструкций на 20-50%. Композиционные конструкционные материалы (углепластики, органопластики, органотекстолиты, алюмостеклопластики и др.) широко применяются в конструкциях самолётов, ракет, в энергетическом, транспортном машиностроении и др.
Получение новых конструкционных материалов с улучшенными (по сравнению с традиционными конструкционными материалами) свойствами связано с синтезом материалов с субмикроскопической структурой из элементов, имеющих предельные значения свойств (предельно прочных, тугоплавких, термостабильных), а также с применением специальных методов изготовления (значительно повышающих прочность и долговечность материалов). Например, для металлических конструкционных материалов используется направленная кристаллизация сталей и сплавов для получения литых деталей со столбчатой структурой зёрен, монокристаллических деталей из никелевых сплавов с определённой кристаллографической ориентацией относительно действующих напряжений (лопатки газовых турбин); для неметаллических конструкционных материалов применяются методы ориентации линейных макромолекул полимерных материалов, модифицирование наночастицами (фуллеренами, нанотрубками, нановолокнами), создание полимерных нанокомпозитов.
Лит.: Машиностроение: Энциклопедия. М., 2001. Т. 2/3: Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Ред.-сост. И. Н. Фридляндер; Болтон У. Конструкционные материалы: металлы, сплавы, полимеры, керамика, композиты. 2-е изд. М., 2007.
Это материалы, из которых изготавливаются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку и отличающихся износостойкостью.
Длительный период в своем развитии человеческое общество использовало для своих практических нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, натуральные волокна, обожженную глину, стекло, железо и др. Промышленный переворот XVIII в. и дальнейшее развитие техники, особенно создание паровых машин и двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили требования к материалам их деталей, к их прочности, температурной стойкости и т. п. В то время основными конструкционными материалами были сплавы на основе железа (см. Железо, сталь, чугун), меди (бронза, латунь), свинца и олова.
При конструировании самолетов от конструкционных материалов потребовалась высокая удельная прочность; широкое распространение получили древесные пластики (фанера), малолегированные стали, алюминиевые и магниевые сплавы. Дальнейшее развитие авиационной техники привело к созданию новых жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, титановых, алюминиевых, магниевых сплавов, пригодных для длительной работы при высоких температурах.
С совершенствованием техники требования к конструкционным материалам все более усложняются. Так, судостроению необходимы стали и сплавы, хорошо поддающиеся сварке, коррозионностойкие, а химическому машиностроению - с высокой и длительной стойкостью в агрессивных средах. Ядерная энергетика использует конструкционные материалы, которые при наличии прочности должны удовлетворять еще одному требованию - малому поперечному сечению захвата нейтронов.
Существует огромное количество различных конструкционных материалов. По своей природе они подразделяются на металлические, неметаллические и композиционные.
К металлическим конструкционным материалам относится большинство марок стали. Сталь получают в конвертерах, мартеновских и электрических печах, а также способами электрошлакового переплава (см. Литье), вакуумирования и др. Чугун широко применяется в машиностроении для изготовления станин, коленчатых валов, зубчатых колес, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т. д.
Никелевые и кобальтовые сплавы сохраняют прочность при 1000-1100° С, выплавляются в вакуумно-дуговых, плазменных и электроннолучевых печах (см. Плазмотрон, плазменная технология, Электроннолучевая технология). Эти сплавы используются в авиационных и ракетных двигателях, паровых турбинах и др. Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолетов, вертолетов, ракет, судов. Магниевые сплавы применяются в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др. Титановые сплавы, отличающиеся особенно высокой удельной прочностью и коррозийной стойкостью, используются в авиационной, химической промышленности, медицине и др. В различных отраслях техники нашли применение также сплавы на основе меди, цинка, молибдена, циркония, хрома, бериллия.
Неметаллические конструкционные материалы включают пластики, термопластичные полимеры, керамику, огнеупоры и др. Пластики на основе термореактивных, эпоксидных, фенольных смол и фторопластов, армированные (упрочненные) стеклянными, кварцевыми, асбестовыми и другими волокнами, применяются в конструкциях самолетов, ракет, энергетических и транспортных машин. Термопластичные полимерные материалы - полистиролы, полиамиды, фторопласты - используются в деталях электро- и радиооборудования и др.
Из керамических материалов изготовляют детали, работающие при высокой температуре. Резины на основе различных каучуков, упрочненные кордными тканями, применяются для производства покрышек или монолитных колес самолетов и автомобилей.
Современная техника продолжает предъявлять все новые требования к конструкционным материалам. Так, например, для уменьшения массы летательных аппаратов используются многослойные конструкции, отличающиеся одновременно легкостью, прочностью и жесткостью. Для многих областей техники необходимы материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплоизоляционными, оптическими и другими свойствами.
В составе конструкционных материалов нашли применение почти все элементы таблицы Менделеева. Эффективность классических металлических сплавов достигается сочетанием особого легирования, высококачественной плавки и термической обработки.
В перспективе одним из методов получения эффективных конструкционных материалов будет широкое синтезирование их из элементов, имеющих предельные значения свойств, т. е. предельно прочных, предельно тугоплавких, термостабильных и т. п. Такие материалы получили название композиционных. При их изготовлении используются высокопрочные элементы (волокна, нити, нитевидные кристаллы, тугоплавкие соединения и т. п., составляющие армировку или наполнитель), связуемые матрицей из прочного и пластичного материала (металлических сплавов или полимерных материалов). Композиционные материалы по удельной прочности могут на 50- 100% превосходить стали или алюминиевые сплавы и обеспечивают экономию массы конструкции на 20-50%. Поэтому сейчас производству конструкционных материалов и улучшению их качества уделяется особое внимание.
Конструктор подбирает конструкционный материал с учетом его механических, физических, химических и технологических и эксплуатационных свойств. Механические свойства определяются способностью материала противостоять различным внешним физическим воздействиям. К основным механическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– прочность – это способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению под действием внешних нагрузок;
– пластичность – это способность материала необратимо изменять форму и размеры без разрушения под действием нагрузки;
– вязкость – это способность материала, пластически деформируясь, необратимо поглощать энергию внешних сил;
– упругость – это способность материала восстанавливать форму и размеры после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию;
– твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела;
– хрупкость – это способность материала разрушаться под воздействием внешних сил без видимой пластической деформации.
К физическим свойствам относят характеристики физического состояния материалов и отношение материала к различным физическим процессам. К основным физическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– плотность – физическая величина, определяемая для однородного вещества массой его единичного объёма;
– теплопроводность – это процесс переноса энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым, осуществляемый хаотически движущимися частицами тела;
– электропроводность – это способность вещества проводить электрический ток;
– температура плавления вещества – это температура фазового перехода «твердая фаза → расплав». Ее определяют, как при плавлении вещества, так и при кристаллизации расплава.
Химические свойства зависят от состава материала и его атомно-электронного строения. Химические свойства материала проявляются в его способности к химическому взаимодействию с окружающей средой, в возможности образования химических соединений и превращений. К основным химическим свойствам конструкционных материалов относятся следующие свойства:
– химическая стойкость – способность материалов противостоять разрушающему действию кислот, щелочей, растворенных в воде солей и газов, органических растворителей;
– биологическая стойкость – свойство материалов и изделий сопротивляться разрушающему действию грибков и бактерий;
– растворимость – способность материала растворяться в воде, масле, бензине, скипидаре и других растворителях;
Технологические свойства – это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки, и дающие возможность получать заготовки, а из заготовок – детали машин. К технологическим свойствам относят следующие свойства:
– ковкость – это способность материала подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь;
– свариваемость – это способность материалов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств;
– обрабатываемость резанием – это способность материалов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента;
– склонность к термической обработке – способность материалов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств;
– литейные свойства – определяются способностью материала обладать в расплавленном состоянии жидкотекучестью, обладать минимальной объемной и линейной усадкой при затвердевании.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях. К эксплуатационным свойствам относятся:
– жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;
– жаропрочность – эти свойства характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре;
– износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении;
– коррозионная стойкость – это свойство характеризует способность материалов сопротивляться коррозии в различных средах;
– холодостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;
– антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.
Выбор материалов деталей - важный этап, от которого в значительной степени зависят вес, габариты, стоимость и долговечность машин. Для снижения стоимости машин большое значение имеет замена дорогостоящих и дефицитных материалов, однако применение более дешевых материалов может привести к увеличению веса, габаритов и снижению долговечности машин.
Таким образом, вопрос о выборе материала представляет собой сложную технико-экономическую задачу, в решении которой необходимо учитывать экономические, технологические и эксплуатационные соображения. Наряду с другими обстоятельствами при выборе материалов для деталей машин следует учитывать такие производственные вопросы, как снабжение, хранение и учет материалов на предприятии, и по возможности сокращать номенклатуру наименований и марок применяемых материалов.
По принципиальной классификации все конструкционные материалы принято делить на следующие виды (рисунок 2.2).
Рисунок 2.2 – Принципиальная классификация конструкционных материалов
Металлы (от латинского metallum – шахта, рудник) – группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, высокая пластичность. Металлические материалы наиболее распространены в машиностроении, к этой группе материалов относятся все металлы и их сплавы. Среди них можно выделить несколько групп, отличающихся друг от друга по свойствам:
– Черные металлы. Это железо и сплавы на его основе – стали и чугуны.
– Цветные металлы. В эту группу входят металлы и их сплавы, такие как медь, алюминий, титан, никель и др.
Под чистыми металлами понимают твёрдые вещества, состоящие только из одного компонента. Чистые металлы редко используют в машиностроении. Наиболее распространено использование металлических конструкционных материалов в виде сплавов. Под сплавами понимают твёрдые вещества, образованные сплавлением двух или более металлических компонентов. Сплавы на основе железа принято называются черными, а на основе цветных металлов – цветными. Среди цветных сплавов различают легкие и тяжелые сплавы. Легкими цветными сплавами называют сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющие малую плотность. Тяжелыми цветными сплавами называют сплавы на основе меди, олова. Такие сплавы имеют большую плотность. По температуре плавления цветные сплавы бывают легко – и тугоплавкие. Легкоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута. Тугоплавкими цветными сплавами называют сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др.
Неметаллические материалы являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Среди них также можно выделить несколько групп:
Пластмассы – это материалы на основе высокомолекулярных соединений (полимеров), как правило, с наполнителями. Наполнителями пластмасс называют порошкообразные, кристаллические, волокнистые листовые, газообразные материалы, которые определяют свойства пластмасс. Различают пластмассы с твердым наполнителем (полиэтилены, полистиролы, поликарбонаты и т.п.), а также с газофазовым наполнителем (пенопласты, поропласты и т.п.).
Керамика – это материал на основе порошков тугоплавких соединений типа карбидов, боридов, нитридов и оксидов. Например: TiC, SiC, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 . Керамика превосходит другие материалы по твердости и износостойкости. К преимуществам керамики относятся низкий коэффициент трения и стойкость к воздействию агрессивных сред и высокой температуры.
Стекло – это материал на 75% состоящий из двуокиси кремния, которую можно получить из кварцевого песка при помощи очистки его от всевозможных загрязнений. В стекле также присутствует окись кальция, благодаря которой материал приобретает стойкость, а также привычный блеск, оксид калия или натрия, которые необходимы для плавки самого стекла.
Резина – это материалы на основе каучука – углеродно-водородного полимера с добавлением серы и других элементов. Различают естественный (сок бразильской гевеи) и синтетический (изопреновый, бутадиеновый) каучуки.
Дерево – это сложная органическая ткань древесных растений.
Композиты получают путем введения в основной материал определенного количества другого материала в целях получения специальных свойств. Композиционный материал может состоять из двух, трех и более компонентов. Основной конструкционный компонент композита называется матрицей. Усиливающие элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала называются армирующий элементом. Характеристика композитов по материалу матрицы и армирующих элементов указывает на природу композитов. Название композитов состоит обычно из двух частей: в первой указывается материал армирующего элемента, второй материал матрицы (например, углепластик – материал на основе полимера, армированный волокнами твердого углерода). Комбинируя объемное содержание компонентов, можно получать композиционные материалы с требуемыми свойствами.
Для оптимального выбора материалов в машиностроении используют более подробные классификации . Так, например классификация сталей и сплавов производится: по химическому составу; по структурному составу; по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей); по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице; по назначению. Например, по химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на группы: малоуглеродистые – менее 0,3% С; среднеуглеродистые – 0,3...0,7% С; высокоуглеродистые – более 0,7 %С. По качеству, то есть по способу производства и содержанию примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы (таблица 2.1).
Таблица 2.1. Классификация сталей по качеству
| Группа | Сера S, %, ≤ | Фосфор Р, %, ≤ |
| Обыкновенного качества (рядовые) | 0,06 | 0,07 |
| Качественные | 0,04 | 0,035 |
| Высококачественные | 0,025 | 0,025 |
| Особовысококачественные | 0,015 | 0,025 |
По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. В свою очередь конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
Контрольные вопросы к лекции 2:
1. Перечислите механические свойства материалов.
2. Перечислите технологические свойства материалов.
3. В чем заключается способность материалов к обработке резанием.
4. В чем заключаются литейные свойства материалов.
5. Охарактеризуйте эксплуатационные свойства материалов.
6. Опишите особенности металлических конструкционные материалы и принципиально классифицируйте такие материалы.
7. Классифицируйте неметаллические конструкционные материалы.
8. Чем руководствуются при выборе материалов в машиностроении и на что влияет этот выбор.
