Классификация материалов по назначению

Материалы	конструкционные
	инструментальные
	технологические и др.

n Конструкционные, материалы - это твердые материалы, предназначенные для производства изделий, подвергающихся в процессе эксплуатации механическому нагружению. Эти материалы должны удовлетворять эксплуатационным, технологическим и экономическим требованиям, т.е. они должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемую работоспособность и ресурс изделия при воздействии на него эксплуатационных факторов (рабочей среды, нагружения, температуры, давления и т.д.), должны обладать комплексом технологических свойств, определяющих наименьшую трудоемкость изготовления изделия, быть доступными и иметь приемлемую стоимость.

n Инструментальные материалы – предназначены для изготовления инструмента (режущего, штампового, мерительного, слесарно-монтажного). Эти материалы отличаются высокими показателями твердости, теплостойкости, прочности и теплопроводности. Высокая твердость необходима для снижения интенсивности изнашивания и возможности обрабатывать материалы с высокой твердостью. Чем выше твердость, тем медленнее происходит изнашивание инструмента и меньше его расход. В номенклатуру входят инструментальные стали, славы, керамика, сверхтвердые материалы.

n Технологические – это группа вспомогательных материалов, которые используются для обеспечения нормального протекания технологических процессов изготовления, переработки основных технических материалов в изделия (клеи, герметики, припои, сварочные материалы и др.).

 или обеспечения нормальной работы машины.

 К ним относятся: клеи и герметики, лакокрасочные и вяжущие материалы, материалы, применяемые при сварке и пайке (флюсы, припои и т.д.), смазочно-охлаждающие среды, закалочные среды и прочие материалы.

n Электротехнические, предназначены для изготовления изделий, используемых при производстве, передачи, преобразовании и потреблении электроэнергии. Обладают особыми электрическими и магнитными свойствами.

n Триботехнические, предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения (антифрикционные и фрикционные). 

n Эксплуатационные, предназначены для обеспечения нормального функционирования машин при эксплуатации (горюче-смазочные материалы, рабочие тела гидравлических и газовых систем и др.)

 

Конструкционные материалы	Металлические (металлы и сплавы на их основе)
	Не металлические (полимерные материалы, керамика, композиционные материалы)

Металлы и сплавы.

Металлы - не прозрачные вещества, обладающие специфическим блеском, высокой пластичностью, высокой электро и теплопроводностью.

Характерные свойства металлов объясняются особенностью их строения. Это:

1) Все металлы имеют кристаллическое строение, т.е. их атомы расположены в строгом порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку;

2) Между атомами металлов действуют особый тип связей, которая называется металлической.

Суть металлической связи в том, что атомы металлов имеют внешние валентные электроны, которые они способны легко отдавать.

 

 

Внешние (валентные) электроны металлов слабо связаны с ядром. Поэтому атомы металлов легко теряют валентные электроны, превращаясь в ионы, а освободившись электроны образуют так называемый электронный газ.

Металлическая межатомная связь не имеет направленного характера. Электроны электронного газа не связаны с отдельными атомами, принадлежат всем ионам металла. Металл состоит из правильно расположенных в пространстве ионов и легко перемещающихся среди них обобщенных электронов. Ионы как бы плавают в облаке электронного газа, что обусловливает высокую пластичность металлов. Наличие электронного газа объясняет высокую электро- и теплопроводность металлов. Под влиянием электрического поля свободные электроны имеют возможность ускоряться, что объясняет высокую электропроводность. С увеличением температуры усиливаются колебания ионов и снижается электропроводность. При понижении температуры электропроводность растет и в ряде случаев может наблюдаться явление сверхпроводимости.

Высокая теплопроводность металлов объясняется участием свободных электронов, наряду с ионами, в передаче тепла.

Металлический блеск обусловлен взаимодействием электромагнитных световых волн со свободными электронами.

Для металлов наиболее характерна объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

У металлов, находящихся в твердом состоянии, валентные электроны, освобождаясь от своих атомов, движутся между атомами, которые становятся положительно заряженными ионами, принадлежащие всему зерну и образующие электронный «газ» свободные электроны, взаимодействуя с положительными ионами, обеспечивают целостность кристаллической решетки.

Металлическая связь может существовать как между одноименными атомами в чистых металлах, так и между разнородными – в сплавах.

«Чистый» металл - условное обозначение, до 99,999%.

Технически чистые металлы – металлы, которые содержат от 0,1% до 0,01% примесей.

Чистые металлы в качестве конструкционных материалов практически не используются, поскольку обладают недостаточными механическими и технологическими свойствами. Более широко используют сплавы.

Сплав- это сложное вещество, состоящее из двух или более элементов (компонентов), полученное в результате сплавления.

Сплавление- это процесс совместной кристаллизации (затвердевания) нескольких компонентов из расплавленного состояния.

Металлические сплавы в качестве одного из компонентов имеют металл (не менее 50%) , другими компонентами могут быть как металлы, так и не металлы.

Свойства сплавов будут зависеть от вида компонента, их количественного соотношения и характера взаимодействия компонентов. Изменяя эти параметры можно получить сплавы с различными физическо-химическими, механическими и технологическими свойствами.

Металлы и сплавы	Черные (железо и его сплавы)
	Цветные (все остальные)

 

Черные сплавы: стали, чугуны – Fe + C

Стали – С£2,14%	углеродистые
	легированные

Чугуны – С>2,14%

Наиболее широко в качестве конструкционных материалов применяется сталь, поскольку за счет легирования, т.е. введения дополнительных элементов (никель, хром, молибден, вольфрам) можно получить стали с весьма разнообразными свойствами.

Из цветных металлов и сплавов наиболее широкое применение получили медные, алюминиевые, магниевые и цинковые сплавы.

Cu	латунь
	бронзы
Al	литейные и деформируемые
Mg
Zn	Как компонент всех вышеперечисленных

 

Неметаллические материалы

Полимерные материалы	Пластмассы
	Эластимеры (резина)
Стекла	Неорганические
	Органические
Керамика	Конструкционный материал
	Инструментальный материал

Композиционные материалы – это материалы, которые состоят из нескольких элементов.

 

Композиционные материалы	Матрица
	Орбирующие (упрочняющее вещество)
Конструкционные материалы	Дисперсно-упрочненные (порошок)
	Волокнистые

 

Исходными материалами для технологических процессов является руда, топливо и флюсы.

Руда – природное минеральное сырье, содержащее металлы или соединения в концентрациях и формах, применяемых для промышленной переработки.

Топливо является не только источником тепла, но и реагентом, восстанавливающим металл из его оксидов и других соединений.

Различают две разновидности топлива: естественное (дрова, уголь, горючие сланцы, торф, нефть, природный газ), которое сжигают без предварительной обработки, и искусственное (кокс, мазут, древесный уголь, бензин и т.д.), полученное из естественного химическим или тепловым способами.

Флюсы обеспечивают сплавление пустой породы, руды, примесей и зоны топлива в легкоплавкие шлаки, которые отделяются от основного металла. При выплавке чугуна в качестве флюса используют известняк, при выплавке стали – известняк, плавиковый шпат и др.

К этим основным компонентам добавляют легирующие добавки (для получения определенных свойств металла прочность, пластичность, ударную вязкость и т.д.), модификаторы (для получения мелкозернистой структуры металла), раскислители (для удаления кислорода).

Шихта – совокупность исходных материалов, взятых в соответствующих пропорциях для загрузки в печь.

Результатом процессов, протекающих в печи, являются образование расплава основного металла (сплава), который скапливается в нижней части печи и шлаков, всплывающих на поверхность расплава. По мере накопления эти продукты выводятся из печи отдельно.

Для защиты конструкции металлургических печей от действия высоких температур применяется футеровка, т.е. образование внутренней поверхности из огнеупорных тугоплавких материалов.

В основу тугоплавких материалов входит кремний, оксиды алюминия, хрома, графит.

Лекция № 3