МАТЕРИАЛОВ. Дисциплина «Общее материаловедение и технологии материалов» и ее место в подготовке бакалавров по направлению 150100.

РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ

Дисциплина «Общее материаловедение и технологии материалов» и ее место в подготовке бакалавров по направлению 150100.

Цель дисциплины – дать будущим бакалаврам по материаловедению и технологии материалов современные знания о классификации основных металлических и неметаллических материалов и общую характеристику современных базовых и высоких технологий их получения и способов обработки.

Задачи дисциплины:

- ознакомление с классификационными группами сталей, основных сплавов цветных металлов, полимерных, керамических и композиционных материалов; специфическими свойствами и областями применения этих материалов;

- изучение основ современных и перспективных технологических методов получения чугуна, сталей, цветных металлов и сплавов, неметаллических материалов;

- изучение основ современных методов и способов изготовления заготовок, деталей и изделий из металлических и неметаллических материалов литьем, обработкой давлением, сваркой, пайкой и резанием, знание которых необходимо бакалавру для успешного усвоения последующих дисциплин ООП.

Дисциплина относится к циклу Б3 (базовая часть).

Для изучения дисциплины «Общее материаловедение и технологии материалов» необходимы знания, умения и компетенции, полученные обучающимися при изучении дисциплин «Неорганическая и органическая химия», «Физическая химия», «Физика», «Электротехника и электроника», «Теория строения материалов», «Сопротивление материалов», «Механические и физические свойства материалов».

В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами знаний по дисциплине, формируемыми на следующих уровнях:

Знать:

- основные классы современных материалов, их маркировку, свойства и области применения;

- теоретические и технические основы технологических процессов производства и обработки материалов;

- физико-химические процессы, протекающие при получении и переработке материалов разных классов.

Уметь:

- выбирать материалы и технологические процессы для решения задач профессиональной деятельности.

Владеть:

- методами работы со справочной, технической и научной литературой;

- знаниями и навыками, необходимыми для последующего углубленного изучения специальных металлических и неметаллических материалов и технологий их обработки, предусмотренных ООП.

ТЕМА 1.1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ СОВРЕМЕННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

Из общего объема используемых конструкционных материалов, наибольшую долю составляют металлы и сплавы на металлической основе (стали и чугуны, латуни и бронзы, сплавы на основах магния, алюминия, титана и других металлов).

Получают эти материалы, как правило, выплавкой из руд, хотя последние десятилетия все шире развиваются методы порошковой металлургии (компактирование и спекание готовых изделий из порошков сталей и сплавов заданного состава).

Выплавку самого большого класса металлических материалов (сталей и чугунов, сплавов из железной и никелевой основах) осуществляют различными методами: мартеновским, конвертерным, электродуговым, индукционным. Метод выплавки определяет содержание вредных примесей (серы, фосфора, кислорода и др.), а, следовательно, и свойства этих материалов.

Углеродистые стали обыкновенно качества (с содержанием серы до 0, 05-0, 06% и фосфора до 0, 06-0, 07%) выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Легированные качественные стали и высококачественные стали (с содержанием и Р не более 0, 025 каждого) выплавляют в электропечах. Особовысококачественные стали (например, шарикоподшипниковые типа ШХ, с содержанием и Р не менее 0, 015%) после выплавки в электропечах подвергают обработке синтетическими шлаками и другим методам очистки.

Для большинства различных классов сталей требуемый уровень свойств (главным образом механических) достигается не только регулированием их химического состава, но и последующей термической обработкой.

Изделия из сталей получают как методом пластической деформации выплавленных слитков, так и получением готовых изделий методом литья в специальные формы. Изделия из чугуна получают только литьем.

Деформируемые материалы обладают более высокими механическими свойствами (сочетанием прочности и пластичности) по сравнению с литыми изделиями. В литых изделиях значительно более низкая пластичность. Тем не менее, в машинах и промышленном оборудовании около 50% всех деталей получают литьем. Литьем изготавливают такие ответственные детали, как блоки цилиндров и поршни двигателей внутреннего сгорания, лопасти газовых турбин, детали различных насосов и др.

В отечественном машиностроении 74% всех отливок изготавливают из серого чугуна, 21% из стали, 3% из ковкого чугуна, 2% из цветных сплавов (алюминиевых, медных и др.).

Помимо сталей и чугунов в технике широко используют цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные, никелевые, титановые и др.) и способы их получения также оказывают влияние на свойства.

Медь получают из руд пирометаллургическим методом, а затем для очистки от примесей проводят электролитическое рафинирование, достигая чистоты меди 99, 95%. Чем чище медь, тем выше ее пластичность и электропроводимость.

Алюминий получают электролизом расплав алюминиевых руд (бокситов, нифелинов и др.).

Титан изготавливают путем обогащения титановых руд, хлорирования титанового шлака и последующего восстановления чистого титана из четыреххлористого титана магниетермическим методом. Полученные указанным методом слитки подвергают переплаву в вакуумных дуговых печах для предохранения титана от окисления. Полученные переплавом слитки прокатывают на лист, подвергают ковке, штамповке готовых деталей.

Конструкционные материалы на основе цветных металлов по способу получения, как стали, делятся на деформируемые и литейные.

Литейные алюминиевые сплавы обладают высокой удельной прочностью. Их широко используют в авиационной и автомобильной промышленности, в пищевой промышленности. Высокими литейными свойствами обладают алюминиевые сплавы со структурой эвтектики, например – силумины, т.е. сплавы системы алюминий-кремний.

Используются в машиностроении литейные бронзы и латуни, сплавы на основе тугоплавких элементов (титана, вольфрама и др. металлов).

Свойства неметаллических конструкционных материалов – пластмасс, стекла и ситаллов, резин и др., также зависят от способа их получения. Пластмассы характеризуются малой плотностью и высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и высоким диэлектрическими характеристиками. Важным преимуществом процесса переработки пластмасс является совмещение процесса получения исходного материала (полимера) с формованием заготовки и изготовления готового изделия. Физико-механические свойства пластмасс зависят как от формы строения макромолекулы полимера (линейная, разветвленная, сетчатая), так и от изменения свойств полимера в различных температурных областях. В зависимости от структуры полимера при повышенных температурах пластмассы делят на термопластичные и термореактивные. К термопластичным относятся полиэтилен и поливинилхлорид, фторопласт и оргстекло, к термореактивным – текстолит, гетинакс, и кислотостойкие пластмассы – фаолиты и др.

Области использования пластмасс трудно перечислить: машиностроение, в том числе и продовольственное, приборостроение и бытовая техника, электротехнические и радиотехнические изделия, вычислительная техника, медицина и фармацевтическая промышленность.

От способов получения зависят также и свойства другого класса материалов на полимерной основе – каучуков. При вулканизации каучуков с добавками 3-5% серы получают эластичные материалы – резины, а при 25-30% серы – твердый диэлектрик – эбонит. Помимо диэлектрических свойств эбонит обладает высокой кислото- и щелочестойкостью и используется, например, для изготовления аккумуляторных баков. Разнообразные резинотехнические изделия широко используют в промышленности для изготовления шлангов и напорных рукавов, прокладочных колец и уплотнителей, транспортных лент и др.

Органическое стекло является одной из разновидностей пластмасс. Основой его является органический полимер (полиметилметакрилат). Основой неорганических стёкол являются затвердевшие расплавы смесей различных оксидов. Оксиды делятся на стеклообразующие и модифицирующие, т.е. меняющие свойства. В зависимости от соотношения концентраций тех или иных оксидов, меняются свойства различных марок стёкол.

Стеклокристаллические материалы (ситаллы) изготавливают на основе неорганических стекол, путем их полной, или частичной кристаллизации путём введения специальных добавок. В отличие от неорганических стекол, свойства которых определяются химическим составом, для ситаллов главным фактором, регулирующим свойства, является структура, определяемая количеством и дисперсностью добавляемой кристаллической фазы. При изготовлении ситаллов добавляют либо оксиды, либо чистые металлы (Ag, Au, Pt). Доля кристаллической фазы в ситаллах может меняться от 60 до 95 %.

Керамику получают спеканием глин и их смесей с минеральными добавками (кварц, каолин и др.), а также спеканием оксидов, карбидов, нитридов и др. соединений. При спекании оксидов, карбидов, нитридов и других соединений получают металлокерамику. Детали из металлокерамики работают до температур 1300-1400 °С, а из неметаллических соединений кремния до 1500 -1800 °С. При изготовлении инструмента для различных отраслей промышленности используют твёрдые сплавы – металлокерамику, состоящую в основном из карбидов вольфрама с небольшими добавками кобальта (для связки) и вольфрама, а также карбидов титана и тантала (в некоторых марках). Применение указанных керамик позволяет не только увеличить скорость обработки, но и значительно повысить износостойкость обрабатывающего режущего и штамповочного инструмента.

Композиционные материалы состоят из сильно отличающихся по составу и структуре, а, следователь­но, и по свойствам нерастворимых или малорастворимых друг в друге компо­нентов, разделённых в материале ярко выраженной границей. Композиционные материалы могут быть естественного происхождения (стволы и стебли расте­ний, кости животных и человека) и искусственного.

Свойства композиционных материалов зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними, причём в композицион­ных материалах проявляются достоинства компонентов, а не их недостатки. В связи с этим композиционные материалы обладают такими свойствами, кото­рыми не обладают компоненты, их составляющие. Наибольший эффект даёт сочетание компонентов, обладающих резко отличающимися свойствами, до­полняющими друг друга. В связи с этим композиционные материалы превосхо­дят обычные материалы по удельной прочности и прочности при высоких тем­пературах, по жёсткости, по сопротивлению усталостным разрушениям. Свойства композиционных материалов зависят также от способа их получения. Получают композиты непрерывной пропиткой пучка волокон, проходящего через расплавленную матрицу (полимерную или металлическую) при нормальном давлении. Другими способами изготовления композиционных материалов являются прессование, спекание, горячее прессование, методы интенсивной пластической деформации, сварка взрывом, нанесение слоя металла на волокна напылением и др. Также в качестве наиболее дешевого способа используется способ получения эвтектических композиционных материалах, в которых упрочняющей фазой являются ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации.