2020-10-11
1050
УЭиОТО
Занятие № 30
РАЗДЕЛ 2 Конструкционные, набивочные, прокладочные и смазочные материалы в химическом машиностроении
Тема 2.1 Материалы: свойства, методы контроля и испытаний
Материалы для изготовления химического оборудования, их свойства и выбор
(Криворот А. С. КиОПМиАХП с.30-39; Ю.Т.Вишневецкий Материаловедение с.70-90; Н. В. Акулич Материаловедение с.39-47)
Вопросы
Классификация материалов
Номенклатура и стандартизация материалов
Основные свойства металлов и сплавов
Физические и химические свойства
Технологические и эксплуатационные свойства
Классификация материалов и методы производства
Конструирование, изготовление, эксплуатация и ремонт машин и приборов связаны с машиностроительными материалами и их использованием.
Материалы — это исходные вещества для производства продукции и вспомогательные — для проведения производственных процессов.
Различают следующие разновидности материалов:
— сырье, или сырые материалы, которые подлежат дальнейшей переработке (железная руда на металлургическом заводе, нефть на нефтеперерабатывающем комбинате);
|
|
|
— полуфабрикат — переработанный материал, который должен пройти одну или несколько стадий обработки для того, чтобы стать изделием, годным к потреблению.
Готовая продукция одного производства может служить полуфабрикатом для другого.
Для успешного решения многих практических задач необходимы сведения о современных способах получения и обработки материалов, их свойствах и рациональном применении. Вопросы строения и свойств металлов, сплавов, неметаллических материалов, горюче-смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей, применяемых в конструкциях автомобилей и необходимых для их эксплуатации и ремонта, рассматривает материаловедение.
Материаловедение — наука, изучающая связь между строением (структурой) и свойствами материала, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом и т. д.).
Материаловедение позволяет правильно выбрать материал и технологию его переработки для обеспечения эксплуатации изделия в течение заданного времени.
В машиностроении, строительстве, приборостроении и других отраслях техники применяется большое количество различных технических материалов, отличающихся своим строением и свойствами. Все материалы условно делят на
§ металлические (металлы и сплавы),
§ неметаллические.
При этом свойства металлов могут существенно отличаться.
Металлы и сплавы
Металлы – химические элементы, в твёрдой фазе непрозрачны, обладают металлическим блеском и рядом характерных свойств:
|
|
|
§ высокой тепло- и электропроводностью;
§ положительным температурным коэффициентом электросопротивления;
§ термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве;
§ хорошей отражательной способностью;
§ повышенной способностью к пластической деформации.
Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние вещества.
Одни металлы встречаются в природе крайне редко, другие же являются основными составляющими горных пород, вод, морей и океанов. Очень сильно отличаются металлы друг от друга температурами плавления, способностью вступать в химические реакции с водой, кислородом воздуха и другими элементами. Металлы существенно отличаются и механическими свойствами, что обусловливает возможность их использования в качестве конструкционного материала для изготовления различных изделий. Они имеют также различные электрические и магнитные свойства, что очень важно для радио- и электротехники.
2
Основную долю разнообразных металлических материалов используемых в технике, составляют сплавы. Чистые металлы в технике не применяют, потому что они характеризуются низким пределом прочности. Путём сплавления или спекания нескольких металлов или металлов с неметаллическими элементами получают сплавы, которые обладают
§ высокой пластичностью и прочностью;
§ хорошо обрабатываются резанием;
§ свариваются и т.д.
при этом улучшаются эксплуатационные и технологические свойства металлического материала.
Сплавом называется макроскопически однородная система, состоящая из двух и более химических элементов. Вещества, образующие систему, называют компонентами.
Компонентами сплава могут быть металлы (железо, медь, алюминий, никель и т.д.) и неметаллические элементы (углерод). Компонентом могут быть и химические соединения, если в рассматриваемых интервалах температур они не диссоциируют на свои составные части. Количество компонентов, составляющих систему (сплав), может быть различным. Чистый металл – это однокомпонентная система; сплав двух металлов – двухкомпонентная, и т.д.
Выбор базового компонента сплава определяется техническим заданием на его свойства. В зависимости от базового компонента все сплавы делятся на: чёрные, основу которых составляет железо (стали, чугуны); цветные, основу которых составляет любой металл, кроме железа (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.).
Выбор других компонентов сплава производится на основе оценки взаимодействия элементов периодической системы с базовым компонентом и между собой. Их взаимодействие учитывается и в жидком, и в твёрдом состояниях, так как сплавление производится при температурах, превышающих температуру плавления базового компонента, а затем сплав, охлаждаясь, кристаллизуется и остывает до температуры окружающей среды. При этом изменяется не только агрегатное состояние системы, но и её фазовый состав в зависимости от температуры и скорости охлаждения.
Тем не менее все металлы и их сплавы, используемые в технике, по некоторым признакам можно объединить в группы.
В технике металлы и получаемые на их основе сплавы условно делят на две большие группы — черные и цветные.
К черным металлам относят железо и его сплавы — стали и чугуны; остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.
Черные металлы являются основными конструкционными машиностроительными материалами. Из общего числа выплавляемых в мире металлов 94 % приходится на черные. Черные металлы имеют относительно высокую механическую прочность, твердость, плотность и сравнительно невысокую стоимость.
Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску — красную, желтую, белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, имеют широкий диапазон температур плавления (например, температура плавления алюминия 660°С, тантала — 3015 °С). Наиболее распространенные цветные металлы — медь, алюминий, хром, никель, цинк, марганец и титан
|
|
|
Цветные металлы принято делить на легкие (плотность до 3 г/см3) и тяжелые. К легким металлам относят бериллий, магний и алюминий, к тяжелым — медь, никель, олово, свинец, молибден и др.
Выделяют также группы благородных и редких металлов. Благородные металлы — золото, серебро и платиновые металлы (платина, палладий, иридий, осмий, рутений). В технике основным признаком редкого элемента считается сравнительная новизна его практического применения, поэтому техническое определение редкого элемента не всегда совпадает с геохимическим. Сурьму, висмут и ртуть, например, несмотря на их малое содержание в земной коре, не относят к редким элементам, так как они уже давно известны и широко используются человеком. Важнейшими отраслями применения редких элементов являются ядерная энергетика, ракетная техника, радиоэлектроника.
Из группы цветных металлов выделяют также легкоплавкие и тугоплавкие металлы. К легкоплавким металлам относят цинк, кадмий, олово, свинец, висмут, сурьму и др. Некоторые из них используют для приготовления припоев различных составов и назначения. К тугоплавким относят титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам и др. Их используют главным образом в качестве легирующих добавок для улучшения некоторых качественных характеристик сталей.
В технике все материалы принято классифицировать по:
с труктурным признакам
функциональным признакам, т.е по их назначению (функциональному применению).
Главным критерием классификации материалов по структурным признакам является агрегатное состояние, в зависимости от которого материалы подразделяются на следующие типы:
3
— твердые материалы;
— жидкости;
— газ;
— плазма.
На рис. 2 приведена классификация твердых веществ по структурному признаку. Ограниченность этой классификации состоит в том, что технические материалы, как правило, неоднородны по структуре и включают несколько фаз. В зависимости от количества фаз и степени неоднородности структуры материалы подразделяются на:
|
|
|
— простые - состоящие из одного элемента или соединения и имеющие однородную макроструктуру;
— композиционные - состоящие из нескольких фаз и имеющие неоднородную структуру;
— сплавы - материалы с однородной макроструктурой, образовавшиеся в результате затвердения расплава химически разнородных веществ.
По назначению технические материалы делят на следующие группы.
Конструкционные материалы — твердые материалы, предна значенные для изготовления изделий, подвергаемых механическим нагрузкам. Они должны обладатькомплексом механических свойств, обусловливающих возможность их использования для изготовления различных изделий, подвергаемых как механическому нагружению, а также иным воздействиям (высокие температуры, агрессивные среды и т.п.), обеспечивающих требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды. К ним предъявляются технологические требования, определяющие наименьшую трудоемкость изготовления изделий, и экономические, касающееся стоимости и доступности материала.
Кроме того, конструкционные материалы должны иметь невысокую стоимость и быть доступными, поскольку впоследствии это в значительной степени определяет стоимость изготовленного изделия.
Конструкционные материалы подразделяют на типы:
§ металлы и сплавы
§ силикаты и керамика;
§ полимеры;
§ резина;
§ древесина;
§ композиционные материалы.
Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, прочности и износоустойчивости не только при нормальных, но и при более высоких температурах и нагрузках. Эти материалы предназначены для изготовления режущего, измерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента. К этим материалам относятся:
§ инструментальные стали,
§ твердые сплавы,
§ алмаз;
§ некоторые виды керамических материалов,
§ природные минералы,
§ многие композиционные,
§ некоторые сверхтвердые синтетические материалы.
Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными параметрами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии К ним относят:
§ проводники и полупроводники,
§ материалы с особыми магнитными свойствами,
§ диэлектрики в различных агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).
Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами таких материалов являются:
§ смазочные — смазки в твердой (графит, тальк), жидкой (моторные, трансмиссионные масла), газообразной (воздух, пары и другие газы) фазах;
§ антифрикционные — сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы и др.), серый чугун, пластмассы (текстолиты, фторопласты и др.), металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), древесина и древесно-слоистые пластики, резины;
Антифрикционные материалы предназначены для применения в подшипниковых узлах с целью обеспечения возможно наименьшей скорости изнашивания сопряженной детали — стального вала.
4
Этим обеспечивается заданная работоспособность и ресурс машин и механизмов. Основными критериями оценки подшипниковых материалов служат коэффициент трения и допустимые нагрузочно-скоростные характеристики.
§ фрикционные, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление изнашиванию (некоторые виды пластмасс, чугунов и металлокерамики и другие композиционные материалы).
Рабочие тела — газообразные или жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу, например:
§ масла в гидроприводах;
§ водяной пар служит рабочим телом в паровых машинах и турбинах;
§ фреон, аммиак, углекислота — в холодильных установках;
§ воздух — в пневматических двигателях;
§ газообразные продукты сгорания органического топлива (бензин, соляр) — в двигателях внутреннего сгорания.
Топливо — горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемый с целью получения при их сжигании тепловой энергии. По происхождению топливо делят на:
§ природное (нефть, уголь, природный газ, древесина);
§ искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы).
По типу машин, в которых сжигается топливо, его делят на: ракетное, моторное, реакторное, турбинное и т. д.
Технологические материалы — обширная группа вспомогательных материалов, используемых для обеспечения оптимального протекания технологических процессов переработки основных технологических материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин и механизмов. К ним относятся:
§ клеи и герметики, лакокрасочные материалы;
§ флюсы, припои, сварочные электроды, применяемые при сварке и пайке;
§ смазочно-охлаждающие жидкости;
§ консервационные материалы (смазки, пленки, мастики), обеспечивающие защиту изделий от коррозии;
§ растворители;
§ моющие материалы и т. д.
В технике сложилась традиция группировать материалы по наиболее важным эксплуатационным параметрам, а именно:
— по электропроводимости (проводники, полупроводники и диэлектрики);
— по магнитной восприимчивости (диа-, пара-, ферромагнетики);
— по тепловым характеристикам (теплоизоляционные и огнеупорные);
— по стойкости к воздействию рабочей среды (жаростойкие, кислотоупорные, коррозионностойкие, радиационностойкие и др.).
Такая классификация является достаточно условной, поскольку не всегда четко определяет границу между отдельными видами материалов, но ее термины и понятия приняты в технике и используются в практике машиностроения.
