82

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

Н.Д. Негодяев

О.С. Ельцов

А.И. Матерн

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Научный редактор профессор, доктор химических наук

В.Л. Русинов

Екатеринбург 2006

оглавление

Стр.

Принятые сокращения 5

Основные условные обозначения и единицы измерения 6

Вводная часть 8

1. Общая характеристика конструкционных материалов 8

   1. Химическая классификация конструкционных материалов 8

   2. Классификация конструкционных материалов по применению 9

   3. Основные способы производства конструкционных материалов 10

1.3.1. Способы производства металлов 10

1.3.1.1. Материалы и изделия, получаемые методами порошковой металлургии 11

1.3.2. Способы производства полимерных материалов 12

1.3.3. Способы производства силикатных материалов, полуфабрикатов и изделий 12

4. Основные свойства конструкционных материалов 14

   1. Технологические и технические свойства конструкционных материалов 15

   2. Основные механические свойства конструкционных материалов 15

1.4.2.1. Конструкционная прочность материалов 17

1. Основные теплофизические свойства конструкционных материалов 25

2. Основные электрические свойства конструкционных материалов 25

1. Технические достоинства и недостатки конструкционных материалов 26

   1. Металлы и металлические сплавы 26

   2. Пластмассы 26

   3. Эластомеры 28

   4. Неорганические (силикатные) материалы 29

2. Краткая характеристика и основные направления использования (области применения) современных типов конструкционных материалов 29

   1. Применение металлов и сплавов 29

3.1.1. Применение металлов и сплавов в качестве материалов несущих конструкций 30

3.1.1.1. Краткая характеристика черных металлов 30

3.1.1.2. Краткая характеристика металлических материалов с высокой удельной прочностью 40

3.1.1.3. Краткая характеристика жаропрочных металлических материалов 44

3.1.2. Применение металлов и сплавов в качестве электротехнических и радиотехнических материалов 47

3.1.2.1. Краткая характеристика металлов с большой электрической проводимостью 47

3.1.2.2. Краткая характеристика сплавов с высоким электрическим сопротивлением 48

3.1.3. Применение металлов и сплавов в качестве антифрикционных материалов 49

3.1.4. Применение металлических сплавов в качестве фрикционных материалов 50

3.1.5. Применение металлов и сплавов в качестве антикоррозионных материалов 51

3.1.5.1. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали 52

3.1.5.2. Цветные металлы 54

3.1.5.3. Редкие металлы 55

2. Применение пластмасс и синтетических смол 56

3.2.1. Применение пластмасс и синтетических смол (олигомеров) в качестве конструкционных материалов 56

3.2.2. Применение пластмасс и синтетических смол в качестве электротехнических и радиотехнических материалов 61

3.2.3. Применение пластмасс в качестве антифрикционных материалов 63

3.2.4. Применение пластмасс в качестве фрикционных материалов 65

3.2.5. Применение пластмасс в качестве антикоррозионных материалов 65

3.2.5.1. Краткая характеристика защитных покрытий черных металлов 70

3. Применение эластомеров 73

3.3.1. Применение эластомеров в качестве конструкционных материалов 73

3.3.2. Применение эластомеров в качестве электротехнических и радиотехнических материалов 75

4. Применение стекла и ситаллов 76

3.4.1. Применение ситаллов 83

5. Применение керамических материалов и изделий на их основе 83

3.5.1. Применение строительной керамики (на основе глинистых минералов) 84

6. Применение бетонов 85

7. Краткая характеристика композиционных материалов 90

3.7.1. Композиты на металлической основе 92

3.7.1.1. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы 92

3.7.1.2. Волокнистые композиционные материалы 95

3.7.2. Композиты на полимерной органической основе 97

3.7.3. Композиты на углеродной основе (углерод-углеродные материалы) 100

3.7.4. Композиты на керамической основе 101

3.7.5. Гибридные композиционные материалы 102

8. Теплоизоляционные и акустические материалы 103

   1. Краткая характеристика теплоизоляционных материалов и изделий 103

   2. Краткая характеристика акустических материалов 106

Заключение 109

Приложение 1. Рекомендации по проектированию и применению пластмассовых деталей и изделий 112

Приложение 2. Применение пластиков в машиностроении 113

Приложение 3. Основы классификации волокон и техническое применение материалов на их основе 114

Приложение 4. К определению твердости конструкционных материалов 115

Библиографический список 118

Принятые сокращения

АТИ – асбестотехнические изделия

АФМ – антифрикционные материалы

ДСП – древесно-слоистые пластики

ЗИМ – звукоизоляционные материалы

ЗПМ – звукопоглощающие материалы

КМ – конструкционные материалы

Ме – металлы

П – пластмассы (пластики)

ПА – полиамиды

ПВХ – поливинилхлорид

ПерХВ – перхлорвинил

ПК – поликарбонаты

ППр – полипропилен

ППт – пентапласт

ПС – полистирол

ПТФЭ – политетрафторэтилен

ПФА – полиформальдегид

ПЭ – полиэтилен

ПЭТФ – полиэтилентерефталат

С – стекло (стёкла)

САП – спеченная алюминиевая пудра

САС – спеченные алюминиевые сплавы

СС – синтетические смолы

СПМ – синтетические полимерные материалы

ТИМ – теплоизоляционные материалы

ТУ – технический углерод

ФМ – фрикционные материалы

ХВ – химические волокна

ЧМе – черные металлы

Э – эластомеры (каучуки и резины)

Основные условные обозначения и единицы измерения

Свойство	Обозначение	Единицы измерения
Время Дипольный момент Диэлектрическая проницаемость в вакууме Диэлектрическая проницаемость вещества относительная Механическое напряжение Модуль сдвига Модуль Юнга Относительное удлинение при разрыве металлов Относительное удлинение при разрыве полимеров Плотность Прочность металлов при разрыве Прочность полимеров при разрыве Прочность при сжатии бетонов Тангенс угла диэлектрических потерь Твердость по Бринеллю Температура Теплового объемного расширения коэффициент Теплоемкость удельная Теплопроводности коэффициент Трения коэффициент Удельная ударная вязкость Ускорение свободного падения Электрическая проводимость объемная удельная Электрическая прочность Электрическое сопротивление объемное удельное	τ μ εВ ε' σ G E δ εР ρ σВ σР Rсж tgδ HB T, t α с λ fтр KCU g χ Eпр ρV	с Кл·м Ф/м Па Па Па % % кг/м3 Па Па Па Па К, ˚С К-1 Дж/(кг·К) Вт/(м·К) Дж/м2 м/с2 См·м-1 В/м Ом·м

Вводная часть

Существуя в реальном (т.е. материальном) мире, люди по необходимости вынуждены создавать и использовать разнообразные вещества, продукты и материалы. Что же такое материалы и каковы их виды?

Материалы – простые и сложные вещества, их гомогенные (однородные) смеси и гетерогенные композиции, пригодные для использования при решении разнообразных практических задач.

Материалы могут быть природными или искусственно приготовленными. Важным типом материалов, без которых уже давно невозможно существование человеческого общества, являются конструкционные материалы (КМ).

Конструкционные материалы – материалы, используемые для изготовления отдельных элементов и/или целых конструкций в строительстве, машиностроении, приборостроении, других отраслях промышленности и в различных областях техники.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

   1. Химическая классификация конструкционных материалов

Знакомство с конструкционными материалами и их изучение существенно облегчаются при знании основ их классификации. Классификация КМ по химической природе (атомному составу) представлена в виде схемы на рис. 1.

Конструкционные материалы

Металлические материалы

Неметаллические материалы

Органические материалы

Неорганические материалы

Рис. 1. Схема классификации

конструкционных материалов.

2. Классификация конструкционных материалов по применению

По основным направлениям использования (областям применения) КМ в настоящее время подразделяются (с большой долей условности) на следующие 5 групп:

• собственно конструкционные материалы (материалы несущих конструкций);

• электротехнические и радиотехнические;

• фрикционные и/или антифрикционные;

• антикоррозионные;

• теплоизоляционные и звукопоглощающие.

Звукопоглощающие материалы также называются акустическими (от греческого “акустикос” – слуховой).

3. Основные способы производства конструкционных материалов

   1. Способы производства металлов (Ме)

Большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения металлов промышленным путем, называются рудами. Главнейшие руды содержат металлы в виде оксидов, сульфидов и карбонатов.

Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов углём или оксидом углерода (II), т.е. СО.

Для получения металлов, не восстанавливаемых углём и оксидом углерода (II), применяются более сильные, чем углерод, восстановители: водород, магний, алюминий, кремний. Восстановление металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермúей.

Изучение процессов получения металлов из руд и промышленная реализация этих процессов являются задачей металлургии.

Металлургия – область науки и техники и отрасль тяжелой промышленности, объединяющая процессы получения металлов из руд (и других материалов) и придания металлам определенной формы.

По типу получаемых металлов металлургия делится на черную и цветную.

По характеру процессов, лежащих в основе производства Ме, различают пирометаллургию, гидрометаллургию и порошковую металлургию.

Пирометаллургия – совокупность металлургических процессов, протекающих при высоких температурах (обжиг, плавка, конвертирование, рафинирование и др.); является основой производства чугуна, сталей и ряда других Ме.

Гидрометаллургия – извлечение Ме из руд, концентратов и отходов при помощи водных растворов химических реагентов (путем выщелачивания) с последующим выделением Ме из растворов (например, цементацией или электролизом). Цементация – один их технологических процессов цветной металлургии. Это процесс извлечения Ме из растворов химическим восстановлением более электроотрицательными Ме. Применяется главным образом для извлечения Cu, Ag, Au (например, осаждением Au из цианистых растворов).

Порошковая металлургия – производство металлических порошков и спеченных изделий из них и из смесей металлических и неметаллических порошков. Основные стадии технологического процесса:

• производство порошков и составление шихт;

• формование брикетов;

• спекание;

• обработка спеченных заготовок с превращением в изделия.