Г. Ф. Тарасов
ТЕХНОЛОГИИ И
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Учебное пособие по технологии и материаловедению
для студентов специальности 220601 «Управление инновациями»
всех форм обучения
Красноярск 2009
Л Е К Ц И Я № 1
ВВЕДЕНИЕ
В современных условиях развития общества одним из основных факторов технического прогресса в машиностроении является совершенствование технологии производства материалов. Важным направлением этого прогресса является создание и широкое использование новых конструкционных материалов, позволяющих резко повысить технический уровень и надежность оборудования. Создавая конструкции машин, обеспечивающих высокую надежность работы, инженер должен хорошо знать способы получения основных машиностроительных материалов – чугунов, сталей и цветных металлов.
Человек научился добывать и использовать металлы несколько тысячелетий назад. В отдаленные времена было известно лишь несколько металлов. Это золото, медь, серебро, олово, свинец, железо, ртуть, сурьма. В настоящее время этот круг значительно расширился. Достаточно отметить, что из известных элементов Периодической системы элементов Менделеева свыше 75% составляют металлы.
По исторически сложившейся классификации все металлы, применяющиеся в промышленности делятся на две основные группы:
- черные;
- цветные.
К черным металлам относятся железо и его сплавы (чугун, сталь, ферросплавы), хром, марганец.
Группа цветных металлов объединяет все остальные металлы, которая в свою очередь подразделяется на несколько подгрупп:
- лёгкие металлы (алюминий, магний и др.);
- тяжелые (медь, никель, свинец, цинк и др.);
- малые цветные металлы (кобальт, молибден, вольфрам, кадмий и др.);
- благородные (золото, серебро, платина и др.);
- редкие (лантан, церий, неодим и др.);
- радиоактивные (уран, плутоний и др.).
Среди металлов железо по своему значению занимает особое место.
Производство черных металлов в значительной степени определяет уровень технического развития, являясь основой современной техники. В общемировом производстве металлов железо и его сплавы составляют свыше 90 %. Широкому применению в самых разнообразных областях техники черные металлы обязаны своими высокими механическими и физическими свойствами. Преимущественному применению черных металлов способствовало также большое распространение в природе железных руд и сравнительная простота производства чугуна и стали.
Железо было известно человеку еще до нашей эры. Вначале железо получали в обычных кострах, а затем в специально устроенных плавильных ямах - сыродутных горнах. В горн, выложенный из камня, загружали руду и древесный уголь. Воздух (кислород) необходимый для горения угля, подавался в виде дутья снизу горна при помощи мехов. Образующиеся газы (СО) восстанавливали оксиды железа. Из-за невысокой температуры в таких горнах можно было получать только малоуглеродистое железо, притом в тестообразном состоянии.
Постепенно горн совершенствовался и превратился в небольшую шахтную печь, которая получила название домницы. Увеличение высоты домницы и интенсивная подача дутья привели к повышению температуры и более интенсивному развитию процессов восстановления и науглероживания металла. В домницах получали жидкое углеродистое железо с примесями марганца и кремния, то есть чугун.
Сначала чугун был нежелательным продуктом, так как его не умели использовать для изготовления изделий и орудий труда. Позднее был найден способ передела чугуна в ковкое железо. Способ получил название кричного процесса, при котором чугун переплавляли в кричном горне. В разогретый горн на раскаленный древесный уголь загружали чугун и высокожелезистые шлаки. Плавясь и стекая вниз, чугун подвергался окислительному воздействию дутья и железистого шлака. Происходило окисление его примесей (кремния, марганца, углерода), и чугун превращался в малоуглеродистое ковкое железо.
Кричный передел чугуна давал возможность получать железо более высокого качества, чем сыродутное. При этом оказалось целесообразным сначала выплавлять из руд чугун, а затем перерабатывать его в ковкое железо.
Со временем конструкция домниц изменялась, увеличивались высота и поперечное сечение, улучшался профиль, и домница превратилась в доменную печь.
В дальнейшем прогресс доменного процесса шел в направлении увеличения объёма печей, перехода к более рациональному профилю, совершенствования конструкции доменных печей, механизации и автоматизации процесса.
В 1856 г. Г. Бессемером был предложен способ передела жидкого чугуна путем продувки его воздухом в конвертере, положившего начало высокопроизводительному современному кислородно-конвертерному процессу. В 1864 г. отец и сын Мартены разработали способ производства стали в регенеративной отражательной печи, получившей название мартеновского процесса, и позволившего решить проблему переработки стального лома.
В конце XIX в. возникла новая отрасль металлургии - производство качественных сталей в электрических печах.
Наряду с черными металлами очень важное значение в современном промышленном производстве имеют цветные металлы, которые нашли применение практически во всех отраслях промышленности и особенно в таких как радиотехника и электроника, самолетостроение и ракетостроение.
В настоящее время металлургия черных и цветных металлов достигла очень высокого технического уровня. В результате упорного труда металлургов многих поколений созданы эффективные технологические схемы переработки руд в черные и цветные металлы.
Особое место среди разнообразных способов производства металлических конструкционных материалов занимает порошковая металлургия, позволяющая производить не только изделия из металлических порошков различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, получить которые иным путем крайне трудно или вообще невозможно.
Порошковая металлургия позволяет решать следующие важнейшие задачи, определяющие направление её развития в настоящее время:
- изготовление материалов и изделий с особыми составами и свойствами, которые недостижимы другими способами производства;
- изготовление материалов и изделий с обычными составами и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях производства.
В ближайшие годы ожидается интенсивное развитие теории и практики процессов порошковой металлургии.
Особое развитие за последние 30 лет получило производство синтетических материалов — пластмасс. Пластмассы и другие неметаллические материалы используют в конструкциях машин и механизмов взамен металлов и сплавов. Такие материалы позволяют повысить сроки службы деталей и узлов машин и установок, снизить массу конструкций, сэкономить дефицитные цветные металлы и сплавы, снизить стоимость и трудоемкость обработки.
Рациональный выбор материалов и совершенствование технологических процессов их обработки обеспечивают надежность конструкций, снижают себестоимость и повышают производительность труда. Прикладную науку о строении и свойствах технических материалов, основной задачей которой является установление связи между составом, структурой и свойствами, называют материаловедением.
Л Е К Ц И Я № 2
1 СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ СОВРЕМЕН-
НЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1 Строение металлов
1.1.1 Типы кристаллических решеток.
Твердые тела по строению делят на 2 вида: кристаллические и аморфные. Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь затем, переходят в жидкое состояние. Все металлы и их сплавы - тела кристаллические.
Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а также способность свариваться. Не потеряло своего научного значения определение металлов, данное более 200 лет назад великим русским ученым М. В. Ломоносовым: "Металлы суть светлые тела, которые ковать можно". Характерной особенностью металлов является то, что, вступая в химические реакции с элементами неметаллического просхождения, они отдают последним свои внешние валентные электроны. Объясняется это непрочной связью внешних электронов атома металла с его ядром. Металлы имеют на наружных оболочках всего 1 -2 электрона, тогда как у неметаллов таких электронов много (5-8).
Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.
Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка- это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. В отличие от кристаллов в аморфных телах (стекло, пластмассы) атомы располагаются в пространстве беспорядочно, хаотично.
Формирование кристаллической решетки в металле происходит при переходе металла из жидкого в твердое состояние. При затвердевании металла расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают. Характер взаимодействия атомов определяется строением их внешних электронных оболочек. При сближении атомов электроны, находящиеся на внешних оболочках теряют связь со своими атомами вследствие отрыва валентного электрона одного атома положительно заряженным ядром другого и т. д. Происходит образование свободных электронов, так как они не принадлежат отдельным атомам. Таким образом, в твердом состоянии металл представляет собой структуру, состоящую из положительно заряженных ионов, омываемых свободными электронами.