Лекции по "Металлургии"

СОДЕРЖАНИЕ

 

Тема 1 ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

1.1 МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ . . . . . . . . . . . 8

Тема 2 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 12

2.1 МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . .  12

  2.1.1 ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОВ  . .  . . . .12

2.1.2 МАГНИТОМЯГКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . 16

  2.1.3 МАГНИТОТВЕРДЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  26

  2.1.4 ПАРАМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2 МЕТАЛЛЫ, СТАЛИ И СПЛАВЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ

СВОЙСТВАМИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  32

Тема 3 НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .  66

3.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

3.2 НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

  3.2.1 НЕОРГАНИЧЕСКОЕ СТЕКЛО  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . 67

  3.2.2 СИТАЛЛЫ (СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ)  . . . . .. . . 78

  3.2.3 КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 82

  3.2.4 ГРАФИТ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .   97

3.3 ОРГАНИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

  3.3.1 ПЛАСТМАССЫ   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . . . . . . . . . . . . .  .  104

  3.3.2 РЕЗИНЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . .  .130

Тема 4 КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  138

4.1 ВВЕДЕНИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138

  4.1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И

  ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

  4.1.2 ПРИМЕНЯЕМЫЕ ВОЛОКНА И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ  . . . . . . . . . .155

  4.1.3 ТРЕБОВАНИЯ К МАТРИЦЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . .  156

4.2 МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . . . . . . . .159

4.3 ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  . . . . . . . .. . . . . 180

4.4 КЕРАМИЧЕСКИЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ (ККМ) . . . . . 201

4.5 ДИСПЕРСИОННОУПРОЧНЕННЫЕ СПЛАВЫ (ДС)  . . . . . . . . . . .. . . . 208

Тема 5 ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . .217

5.1 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . .217

5.2 ОПТИЧЕСКОЕ ВОЛОКНО  . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . .  220

Тема 6 ЛЮМИНОФОРЫ  . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .222

ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

СПИСОК ССЫЛОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . . . 232

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тема 1   ВВЕДЕНИЕ

1.1  МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ

 

Появление новых конструкционных  материалов и разработка технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов:

• для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);
• для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);
• для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);
• для станкоинструментальной промышленности;
• для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);
• строительные материалы.

Возрастание требований потребителей к свойствам конструкционных материалов можно свести  к следующим показателям:

• повышению удельных механических свойств (прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;
• повышению сопротивляемости материала воздействию рабочей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и т.п.);
• повышению долговечности (ресурса службы) материала и его надежности в эксплуатации.

Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых металлических материалов является аэрокосмический комплекс. В этом комплексе новые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, в том числе снижение расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе  эксплуатации летательных аппаратов.

Особенно остро стоит  проблема повышения ресурса и  экологической чистоты двигателей. В настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 14000 часов по сравнению с 29000 ч двигателей фирмы “Роллс - Ройс” и 30000 ч у двигателей серии CFM - 56. Двигателями CFM -56 оснащены более 70% мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест.

Ответственные задачи стоят  перед мировой энергетикой. В  ближайшие 20 лет мировое производство электроэнергии должно возрасти в два раза при условии повышения экономичности ее производства и снижения вредного воздействия на окружающую среду, что требует использования новых металлических и неметаллических материалов. В системах распределения (передачи) и хранения энергии (накопители) большая роль отводится сверхпроводникам, работающим при температурах выше 20 К и температурах равных 77 К в сильных и слабых магнитных полях. Эти же сверхпроводники перспективны и для транспорта на магнитных подушках.

В автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г - 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.

На железнодорожном  и водном транспорте главными целями развития являются повышение экономичности и экологической безопасности при снижении массы транспортных средств и повышении их энерговооруженности.

Постоянно требуются  новые материалы в области  информационных технологий, например для компакт - и видеодисков для записи с помощью голубых и зеленых лазеров, что существенно увеличивает емкость дисков. Интенсивно (прирост в год более 50%) развивается производство магнитных запоминающих устройств и продолжается их миниатюризация.

Для достижения вышеуказанных  целей разрабатываются новые  виды металлических и неметаллических  материалов.

Особое внимание уделяется  легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам, имеющим мелкодисперсную и ультрамелкодисперсную структуру, монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам.

Такие структуры обеспечивают прочностные характеристики иногда на порядок превышающие традиционные значения прочности и придают материалам особые технологические, физические и эксплуатационные свойства.

Материалы с такими структурами  служат основой для создания различного рода композиционных материалов, деталей, полученных методами порошковой металлургии и других деталей, обладающих специальными свойствами.

Наиболее часто изделия  из указанных металлических и  неметаллических материалов изготавливаются методами обработки давлением (прессование, штамповка, выдавливание и т.д.). Поэтому изучение студентами специальности «Обработка металлов давлением» новых металлических и неметаллических материалов, их свойств и возможности применения в различных отраслях народного хозяйства является целесообразным.

 

1.2  КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

Исходя из природы  конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:

1. Металлические материалы, к которым относятся:

• сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны (подробно рассмотрены ранее в курсе «Металловедение»);

• стали и сплавы с особыми физическими свойствами – магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);

• цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
• композиционные материалы с металлической матрицей;

2. Неметаллические материалы:

• полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
• композиционные материалы с неметаллической матрицей (стеклопластики, углепластики, оргпластики и др.);
• неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);

3. Материалы со специальными свойствами - электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.

Чистое железо - хороший проводниковый  материал. Отсюда его применение в  радио- и приборостроении. Чистое железо является магнитомягким материалом (легко намагничивается и размагничивается). Получить чистое железо достаточно трудно. По степени чистоты различают технически чистое железо - 0,006 - 0,025% С и химически чистое железо - 0 - 0,006% С.

Стали в свою очередь можно разделить на следующие группы:

• конструкционные стали (углеродистые, легированные, строительные, арматурные, машиностроительные цементуемые и улучшаемые, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, и т.д.);
• инструментальные стали (стали для режущего инструмента, для измерительного инструмента, стали для штампов холодного деформирования, стали для штампов горячего деформирования, твердые сплавы и.т.д.).

Инструментальные стали  отличаются от конструкционных более  высоким содержанием углерода. Соответственно они имеют более высокую твердость, прочность и более низкую пластичность.

Чугуны можно разделить  на белые, серые, ковкие и высокопрочные. Они отличаются друг от друга по структуре и свойствам.

Белые чугуны хрупкие  и твердые. Как конструкционный материал, применения не находят. Серые чугуны хорошо работают на сжатие и поэтому применяются для изготовления станин различных станков и другого оборудования. Ковкие чугуны имеют высокую прочность и наряду с этим хорошую пластичность. Применяются ковкие чугуны для деталей, работающих при высоких динамических, статических и вибрационных нагрузках. Высокопрочные чугуны имеют высокую прочность и твердость, хорошие литейные свойства. Применяются для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров, молотовых шаботов, траверс прессов, прокатных валков, корпусов насосов.

 Кроме того, возможна  классификация конструкционных  материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.

В соответствии с выбранным  принципом классификации все  конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:

• материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
• материалы с особыми технологическими свойствами;
• износостойкие материалы;
• материалы с высокими упругими свойствами;
• материалы с малой плотностью;
• материалы с высокой удельной прочностью;
• материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды;

 

 

 

 

Тема 2   МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ

 

2.1 МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

2.1.1 ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТАЛЛОВ

 

Из всех металлов только три (железо, кобальт, никель) обладают ферромагнетизмом, т.е. способностью значительно сгущать магнитные силовые линии, что характеризуется магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость ферромагнитных материалов достигает десятков и сотен тысяч единиц; для остальных она близка к единице.

Как известно, вещество, относительная магнитная проницаемость которого несколько больше единицы, является парамагнитным, меньше единицы - диамагнитным.

Основные сведения о магнитных  свойствах дают кривые намагничивания, приведенные на рисунке 2.1.

Ферромагнитные материалы  состоят из доменов - областей кристалла размером 10^-4 - 10^-6м , спонтанно намагниченных до насыщения вдоль осей легкого намагничивания кристалла и разделенных переходными слоями (стенками) шириной 10^-7 - 10^-8  м.

Если образец из ферромагнитного  материала не подвергался действию магнитного поля, то магнитные моменты отдельных доменов в нем расположены хаотично и он находится в полностью размагниченном состоянии. Процесс намагничивания заключается в ориентировании намагниченности доменов вдоль приложенного внешнего поля.

Рисунок  2.1 – Петля  гистерезиса ферромагнетка