Материаловеденье. Материаловедение курсовая. На практике следует различать вещество и созданный из него материал
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
0 Введение Материаловедение – раздел научного знания, связанный с созданием материалов с заранее заданными рабочими характеристиками, а также изучением и целенаправленным изменением свойств существующих материалов. Фундаментальной базой этой дисциплины являются все разделы физики, химии, механики, которые включают теоретические основы современных наукоемких технологий получения, обработки и применения материалов. Материаламиназывают твердые тела с известными свойствами, которые определяются их составом и строением. Под ними понимают исходный, необработанный предмет труда или полуфабрикат, используемый для производства изделия. На практике следует различать вещество и созданный из него материал. Любой материал состоит из простых элементов (вещества) или их смеси, т. е. из соединений атомов, находящихся в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. В отличие от вещества материал на его основе обладает комплексом свойств. Практическое применение находит именно материал, а не составляющее его вещество. Свойства материала зависят от химического состава и пространственной ориентации его элементов – структуры. Материаловедение как наука исследует триединое сочетание состав – структура – свойство (С– С–С) и показывает, как на основании состава и строения материала следует управлять этими свойствами с целью получения нового материала с заданными характеристиками. Будущее научно-технического прогресса определяется доступностью высокотехнологических процессов, обеспечивающих получение новых материалов. Развитие материаловедения требует предварительного моделирования свойств материалов. Цель исследований – описание свойств материалов на основе атомистических физических моделей, которые могут быть сформулированы с помощью уравнений состояния. Это позволяет предсказать свойства материалов и не требует проведения длительных и дорогостоящих экспериментов по исследованию поведения материалов в разных условиях. Для успешного применения моделей необходимы фундаментальные знания физических основ процессов и механизмов, определяющих микроструктуру и свойства на атомном уровне. 1 В промышленном масштабе производится широкий спектр материалов: металлы, сплавы металлов, керамика, стекла, пластмассы, композиты, материалы для электроники и др. В современных условиях необходимость разработки дешевых материалов и материалов, работающих в экстремальных условиях, привела к созданию многофункциональных керамических, пластических и композиционных материалов. Исследование конкретных материалов имеет свои особенности. Создание и производство новых многофункциональных материалов, их применение в технологиях приводит к появлению на мировом рынке новой, конкурентоспособной продукции, при этом решаются ключевые проблемы современного общества – рациональное использование природных ресурсов и охрана окружающей среды. Материаловедение является наукой, которая дает возможность осуществить правильный выбор сырья и материалов для производства различной продукции. В основе этого выбора лежат структура, физико- химические свойства, а также экономические и экологические показатели, характеризующие разные вещества. 2 1 Диаграмма состояния железо – цементит. Правило фаз Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением: C = K + 1 – Ф, где С – число степеней свободы системы; К – число компонентов, образующих систему; 1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого, мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф – число фаз, находящихся в равновесии. Сплав до температуры 1460 °C (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1460 °C с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JE от точки 1' к точке n, а в жидкости - согласно линии ВС от точки 1 к точке k, что можно записать следующим образом: Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1280 °C). В интервале температур 1280…905 °C (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 905 °C (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,3 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 905 до 727 °С изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S: При температуре 727 °C (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8 % С) распадается на ферритно-цементитную смесь - перлит: С понижением температуры сплава ниже 727 °C растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного: Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, так как сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,3 % при 3 комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного. При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от0,8 до 2,14%С)до температур, соответствующих линии SE, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита. Сплав железа с углеродом, содержащий 1,3 %С, называется за эвтектической сталью. Его структура при комнатной температуре – Перлит + Цементит. 4 2 Сталь 30 - конструкционная углеродистая качественная 2.1 Назначение Сталь марки 30 относится к нелегированным специальным конструкционным качественным углеродистым сталям и применяется при изготовлении деталей невысокой прочности, например: тяги, серьги, траверсы, рычаги, валы, звездочки, шпиндели, цилиндры прессов, соединительные муфты. Сталь марки 30 применяется также для изготовления: штропов для вертлюгов, крюков и элеваторов, подъемных крюков, осей, талевых блоков и кронблоков, лопастей глиномешалок, фланцев, валиков, установочных колец, грундбуксы вертлюгов, деталей буровых лебедок. Сталь марки 30 рекомендуется также для изготовления некоторых деталей оборудовании нефтеперерабатывающих заводов: шатунных болтов, валов паровых частей насосов, поршневых штоков, валов центробежных насосов, болтов, запорных элементов арматуры, работающей при температуре до 300°C в не коррозионной среде, решеток теплообменников с плавающей головкой, предназначенных для работы с не коррозионной нефтью и ее продуктами, крепежных деталей, работающих при температуре 375°C. В нормализованном состоянии сталь марки 30 применяется для изготовления деталей, испытывающих сравнительно небольшие напряжения (грундбуксы вертлюгов, крюки, фланцы, установочные кольца и т. д.), а после закалки и высокого отпуска применяется для изготовления таких деталей, как валики, оси, траверсы и вилки буровых лебедок, валы центробежных насосов и т.д. 2.2 Полный отжиг При полном отжиге доэвтектоидная сталь нагревается выше AS3 на 30 – 50°С выдерживается при этой температуре до полного прогрева и медленно охлаждается. В этом случае ферритно-перлитная структура переходит при нагреве в аустенитную, а затем при медленном охлаждении превращается обратно в перлит и феррит. Происходит полная перекристаллизация. Цель проведения операции — измельчение зерна и улучшение качества обработки с применением режущего инструмента, снятие внутренних напряжений материала. 5 После проведения процедуры полного отжига неоднородная структура углеродистых или доэвтектоидных сплавов становится однородной, что дает податливость дальнейшей обработке Для стали 30 отжиг проводится при температуре 830 – 850 °С. 2.3 Неполный отжиг В отличие от полного, кардинально меняющего структурный состав металла, неполный отжиг изменяет только перлитовую, не затрагивая ферритовую структуру. Перлит , входящий в состав структур сталей, чугуна, других железоуглеродистых материалов, представляет собой цементит и феррит в эвтектоидной смеси. Основная задача неполного отжига – сделать сплавы максимально мягкими и податливыми. Нагревание производится до t°, превосходящих на 30 – 50 °С точку А1 (параметр перехода перлита в аустенит – начала перекристаллизации), но не достигающих Ас 3. Для стали 30 неполный отжиг проводится при температуре 760 – 790 °С. Рисунок 2 – Диаграмма температур нагрева сталей при термообработке 6 2.4 Нормализация стали Нормализацией называется нагрев стали выше линии GSE на 30—50° (см. рисунок 1) с выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе. Нормализацию применяют для устранения внутренних напряжений и наклепа, повышения механических свойств стали. Сталь марки 30 подвергают нормализации с температуры 880-900°C. 3 Сталь 18ХГТ – конструкционная легированная 3.1 Назначение Конструкционная легированная сталь 18ХГТ используется для изготовления ответственных деталей, которые после улучшения/ цементирования обладают высокой прочностью, износостойкостью и вязкостью, а также для изделий, подвергаемых высоким динамическим и вибрационным нагрузкам, работающим в интервале температур -70 +450 0 С. Она широко применяется в станкостроении, в автомобильной, тракторной промышленности. Наиболее востребованными деталями из нее являются ш естерни, червяки, валы, втулки, кулачковые муфты, направляющие, шкворни, пальцы, валики и другие ответственные нагруженные детали, от которых требуется повышенная прочность и вязкость сердцевины и высокая поверхностная твердость, работающие под действием ударных нагрузок. 3.2 Химический состав Химический состав регламентируется государственным стандартом. Содержание контролируемых элементов в массовых процентах: - Углерод – 0,17-0,23; - Хром – 1,00-1,30; - Марганец – 0,80-1,10; - Титан – 0,030-0,090; - Кремний – 0,17-0,37; - Медь – 0,3; - Никель – 0,3 - Сера – 0,035; - Фосфор – 0,035. Каждый из указанных элементов играет свою определенную роль. От содержания углерода зависит прочность материала. 7 Марганец в сталях применяется в качестве заменителя более дорогого никеля, улучшает способность к прокаливанию. Небольшие добавки титана уменьшают склонность стали к перегреву. Хром повышает твердость и прочность материала. 4 БрО10 – бронза оловянная литейная Использование в промышленности: для арматуры и фасонных отливок ответственного назначения. Химический состав, % Основные компоненты: - Медь – основа; - Олово – 9,0-11,0; - Свинец – 8,0-11,0. Примеси, не более: - Цинк – 0,5; - Алюминий – 0,02; - Железо – 0,2; - Кремний – 0,02; - Фосфор – 0,05; - Сурьма – 0,3. Допускаются примеси мышьяка до 0,15%, магния – до 0,02%, серы – до 0,05% в пределах общей суммы примесей. Массовая доля никеля допускается до 2,0% за счет меди и в общую сумму примесей не входит. По согласованию изготовителя с потребителем допускается массовая доля фосфора до 1,0%. Примеси, не регламентируемые стандартом, входят в общую сумму примесей. Оловянные бронзы широко применяют для изготовления арматуры, зубчатых колес, подшипников, шестерен, втулок, работающих в условиях истирания, повышенного давления воды и водяного пара. Характерная особенность этой группы сплавов — большой интервал между температурами ликвидуса и солидуса (150-200 °С). Оловянные бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать сложные по конфигурации отливки. 8 5 Стеклопластики 5.1 Состав Стеклопластики (стеклонаполненные пластики) — один из первых конструкционных материалов на полимерной основе. Они представляют собой композиционные конструкционные материалы, сочетающие высокую прочность с относительно небольшой плотностью. Основными компонентами стеклопластиков являются стекловолокнистые армирующие материалы и синтетические связующие. Стекловолокно является армирующим элементом, которое обеспечивает готовому изделию самую высокую механическую прочность (при прочих равных условиях). Стекловолокно применяются в самых различных видах, таких как - элементарные волокна, стеклонити, рубленые волокна, ткани и маты различной структуры. В качестве связующегодля стеклопластиков используют полиэфирные и эпоксидные смолы. Именно на их основе получают материалы для контактного формования. Применяют также феноло-формальдегидные, кремнийорганические, карбамидные, фурановые и другие смолы. Переработка стеклопластиков на их основе требует высоких температур (более 170°С) и давления (25-100 кг/см 2 ). В качестве связующего для стеклопластиков также применяют и термопластичные материалы - ПА, ПК, ПЭ, ПП. На их основе получают материалы, перерабатываемые литьем под давлением. 5.2 Свойства стеклопластиков Стеклопластик обладает многими очень ценными свойствами, дающими ему право называться одним из материалов будущего: 1) Малый вес. Удельный вес стеклопластиков колеблется от 1,4 до 2,1 и в среднем составляет 1,7 г/см3. Напомним, что удельный вес металлов значительно выше, например, стали – 7,8, а меди - 8,9 г/см3. Даже удельный вес одного из наиболее легкого сплава, применяемого в технике, дуралюмина составляет 2,8 г/см3. Таким образом, удельный вес стеклопластика в среднем в пять- шесть раз меньше, чем у черных и цветных металлов, и в два раза меньше, чем у дуралюмина. Это делает стеклопластик особенно удобным для применения на транспорте. Экономия в весе на транспорте переходит в экономию энергии; кроме того, за счет уменьшения веса транспортных 9 конструкций (самолетов, автомобилей, судов и т.п.) можно повысить их полезную нагрузку и за счет экономии топлива увеличить радиус действия. 2) Диэлектрические свойства. Стеклопластики являются прекрасными электроизоляционными материалам при использовании как переменного, так и постоянного тока. 3) Высокая коррозионная стойкость. Стеклопластики как диэлектрики совершенно не подвергаются электрохимической коррозии. Существует целый ряд смол, позволяющие получить стеклопластики стойкие к различным агрессивным средам, в том числе и к воздействию концентрированных кислот и щелочей. 4) Хороший внешний вид. Стеклопластики при изготовлении хорошо окрашиваются в любой цвет и при использовании стойких красителей могут сохранять его неограниченно долго. Прозрачность. На основе некоторых марок светопрозрачных смол можно изготовить стеклопластики, по оптическим свойствам немногим уступающим стеклу. 5) Высокие механические свойства. При своем небольшом удельном весе стеклопластик обладает высокими физико-механическими характеристиками. Используя некоторые смолы и определенные виды армирующих материалов, можно получить стеклопластик, по своим прочностным свойствам превосходящий некоторые сплавы цветных металлов и стали. Механические свойства стеклопластиков определяются преимущественно характеристиками наполнителя и прочностью связи его со связующим, а температуры переработки и эксплуатации стеклопластика - связующим. Наибольшей прочностью и жёсткостью обладают стеклопластики, содержащие ориентировано расположенные непрерывные волокна. Такие стеклопластики подразделяются на однонаправленные и перекрёстные; у стеклопластика первого типа волокна расположены взаимно параллельно, у стеклопластика второго типа - под заданным углом друг к другу, постоянным или переменным по изделию. Изменяя ориентацию волокон, можно в широких пределах регулировать механические свойства стеклопластиков. Большей изотропией механических свойств обладают стеклопластики с неориентированным расположением волокон: гранулированные и спутанно- волокнистые прессматериалы; материалы на основе рубленых волокон, нанесённых на форму методом напыления одновременно со связующим, и на основе холстов (матов). 6) Теплоизоляционные свойства. 10 Стеклопластик относится к материалам с низкой теплопроводностью. Кроме того, можно значительно повысить теплоизоляционные свойства путем изготовления стеклопластиковой конструкции типа “сэндвич”, используя между слоями стеклопластика пористые материалы, например пенопласт. Благодаря своей низкой теплопроводности, стеклопластиковые сэндвичевые конструкции с успехом применяются в качестве теплоизоляционных материалов в промышленном строительстве, в судостроении, в вагоностроении и т.д. 7) Простота в изготовлении. Существует много способов изготовления стеклопластиковых изделий, большинство из которых требует минимальных вложений в оборудование. Например, для ручного формования потребуются только матрица и небольшой набор ручных инструментов (прикаточные валики, кисти, мерные сосуды и т.д.). Матрица может быть изготовлена практически из любого материала, начиная с дерева и заканчивая металлом. В настоящие время широкое распространение получили стеклопластиковые матрицы, которые имеют сравнительно небольшую стоимость и длительный срок службы. 5.3 Применение стеклопластиков 1) Автомобилестроение. В автомобильной промышленности стеклопластик успешно заменяет привычный для нас металл, что обусловлено его высокой прочностью при небольшом весе, температурной и влагостойкостью, а также эстетичным внешним видом. Из стеклопластика изготавливают бампера, спойлеры, фургоны, багажники, двери, элементы внутренней отделки автомобилей и общественного транспорта. 2) Железнодорожный транспорт и метро. Стеклопластик уже много лет успешно используется как на железной дороге, так и в метро. Одним из основных преимуществ стеклопластика как конструкционного материала является его пожаростойкость (при условии использования специальных видов смол). Немаловажную роль играет также прочность и внешний вид, ведь из стеклопластика изготавливают не только шкафы для аппаратуры и кожуха рельсов, но и элементы внутреннего интерьера вагонов – стеновые панели, сиденья, столики, наличники. 3) Химическая промышленность. Стеклопластик зарекомендовал себя как материал, обладающей великолепной стойкостью к воздействию агрессивных сред в широком диапазоне температур и давлений, что сделало его незаменимым 11 конструкционным материалом для химической промышленности. Из стеклопластика изготавливают трубы, емкости, газоходы, реактора и другие типы оборудования, предназначенные для работы в условиях воздействия коррозионно опасных веществ. Особый способ использования стеклопластика в химической промышленности – создание коррозионно и химически стойкой футеровки, защищающей металлические или бетонные поверхности от контакта с агрессивной средой. 4) Коммунальное хозяйство и строительство. Стеклопластик – очень прочный материал, активно сопротивляющийся воздействию внешней среды. Эти свойства обуславливают его широкое применение в строительстве. Основные направления использования стеклопластика – изготовление элементов наружного декора, отделочных панелей, дверей, оконных переплетов, лестничных перил, трубы канализационные, емкости для насосных станций, емкости для систем очистки сточных вод и канализации и т.д... Заключение Изучение механических свойств металлических материалов необходимо для обеспечения требуемого качества продукции. Как я считаю, вопрос качества продукции стал очень актуальным в настоящее время. Предприятия-изготовители занимаются постоянным изучением требований потребителей, для удовлетворения их потребностей и их предвосхищения. Проведение испытаний, имитирующих условия эксплуатации, с помощью современного оборудования позволяет с необходимой точностью определять механические свойства материалов. Результаты испытаний используются для дальнейшего применения в производстве, других испытаниях. Всё это помогает быть уверенными в надежности той или иной конструкции, улучшать структуру материалов, прогрессировать в этом направлении всё интенсивней. |