1. Основные конструкционные и инструментальные материалы, применяемые в производстве изделий, их состав, строение и эксплуатационные св-ва.

Материалы, применяемые в современных конструкциях, помимо высоких прочностных характеристик должны обладать комплексом таких св-в, как повышенная коррозионная стойкость, жаропрочность, теплопроводность и электропроводимость, тугоплавкость, а так же способностью сохранять эти св-ва в условиях длительной работы под нагрузками.

Технически чистые металлы (99,9 % основного металла), как правило, хар-ся низкими прочностными св-ми, поэтому в машиностроении применяются применяют главным образом сплавы. Сплавы на основе железа в зависимости от содержания в них углерода называют сталями или чугунами; на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, - легкими цветными сплавами; на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута – легкоплавкими сплавами; на основе меди, свинца и олова – тяжелыми цветными сплавами; на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия – тугоплавкими цветными сплавами.

Сплавы алюминия, некорродирующий и легкий металл (ρ=2,7 г/см³) термоупрочняемые сплавы: дюралюминий, главный элемент Сu, упрочняются старением. Литейные сплавы: силюминий, Si до 9%.

Сплавы Cu (ρ=8,9 г/см³), сплав с Zn – латунь, если легирована другими металлами – бронза.

Сплавы Ti, (tºC плавления=1660ºС, ρ=8,9 г/см³) имеют аллотропические изменения.

Большинство металлов и сплавов в твердом состоянии имеют кристаллическое строение: атомы расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Хаар-ны 3 вида кристаллических решеток: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная, гексагональная плотноупакованная.

С повышением температуры и давления параметры решеток могут изменятся. Некоторые металлы в твердом состоянии в различных температурных интервалах приобретают разные кристаллические решетки, что всегда приводит к изменению их физико-химических св-в.

2. Технологические св-ва конструкционных материалов.

Те св-ва, которые проявляются в процессе производства:

А) литейные

Б) обрабатываемость давлением

В) обрабатываемость резанием

Г) свариваемость

Д) термообрабатываемость

3. Основные хар-ки механических св-в материалов и способы их определения. Разрушение в процессе эксплуатации может быть: пластичное, хрупкое, полувязкое.

Механические св-ва материалов:

А) прочность (HB, HRC, HRB)

Б) износостойкость в условиях трения

В) пластичность

Г) вязкость

Д) коррозионная устойчивость

Прочность – мера сопротивления материала началу пластической деформации и разрушению.

Ударная вязкость – определяется на образцах с надрезом.

Трещины

KCV

KCU

KCT

Конструкционная прочность – прочность осуществляема в конструкции.

Усталостная прочность - проводятся циклические нагружения для изделий, нагруженных знакопеременно.

Жаропрочность:

1. предел ползучести МПа материал при tºC=700ºС и нагрузке 15 МПа «проползет» - удлинится не более 1% за 10000 часов

2. предел длительной прочности МПа материал при tºC=650ºС и нагрузке 17 МПа простоит 100000 часов.

4. Понятие удельной (весовой) прочности материалов, о склонности металлов к хрупкому разрушению, о конструктивной прочности.

Удельная прочность – прочность, приходящаяся на единицу удельного веса.

(км)

Хрупкое разрушение происходит под действием нормальных растягивающих напряжений, вызывающих отрыв одной части тела от другой без заметных следов макропластической деформации. Для хрупкого разрушения характерен кристаллический (блестящий) излом.

Конструкционная прочность – прочность осуществляема в конструкции.

5. Основы технологий производства чугуна, стали, Al, Cu, Ti: исходные материалы, оборудование, основные операции технологического процесса, получаемый продукт.

Чугун. Поучения осуществляется в доменных печах. Исходный материал – Fe (в земной коре 5%) в связанном состоянии (окислы, сульфиды).

Руда – горная порода, содержащая технически возможное и экономически целесообразное к добыче кол-во металла. В них содержатся вредные примеси.

Пустая порода – минералы, легко отделяемые от руды в процессе обогащения.

Руда:

1. красный железняк – гематит , Fe 45-65 %

2. бурый железняк – лимонит

3. магнитный железняк – магнетит , Fe 40-70 %

Вводят в домну флюсы для того чтобы рабочее пространство не «зарастало», а плавка пустой породы и золы происходило при низкой температуре. Т.к. пустая порода содержит, в основном, кислый окисел , то в качестве флюса применяют известняк (основный окисел).

Топливо – кокс, восстанавливает Fe из окислов и науглероживает его. Кокс – кусковое прочное образование, получаемое спеканием (удаление летучих в-в) коксующих углей. Зольность кокса от 9 до 13 % (,). Добавляют природный газ – для уменьшения кол-ва угля.

Подготовка руд и флюсов к плавке:

1. дробление 10-20 мм

2. гравитационное обогащение и промывка водой

3. магнитная сепарация

Агломерация шихты: аглоруда 70-80%, флюсы 20%, мелкий кокс 5-7%, Mn руда 1%.

Эксгауза – агломерационная печь, подсасывают воздух для горения, образуется пористый продукт. Идет окисление и разложение известняка. . При агломерации удаляется сера на 80-90%.

Делают окатывание – для кускования тонкоизмельченных концентратов. Ведут обжиг при tºC=1300ºС. Окатыши прочнее чем агломераты.

Горение топлива

Восстановление Fe

Прямое

Косвенное

Образование Fe начинается при 400ºС и заканчивается при 1300ºС.

В шахте идет науглероживание

Одновременно с Fe восстанавливается окислы Mn, попадают Р и S. Идет шлакообразование в районе распара при 1000ºС. Состав шлака: CaO 40-50%, 38-40%, 7-10%.

Продукты доменной плавки скапливаются в горне, из него 2 летки: 1 – шлак, 2 – чугун.

Продукты: передельный чугун, литейный чугун.

Происходит производство ферросплавов: зеркальный чугун 75% Mn, ферросилиций 17% Si и до 3% Mn. Доменный шлак - для производства строй материалов.

Сталь. В стали теоретически 2% С, а практически больше 1,5% не бывает. Примеси в стали: до 0,8% Mn, до 0,4% Si, до 0,07% Р, до 0,06% S.

Способы производства: конверторный 70%, мартеновский 20%, электро 10%.

Конверторный способ – продувка чугуна воздухом без расхода топлива, соединяется с С и выдувает его. Конвертор - стальная реторта, огнеупорная, вертикальное дутье через водоохлаждаемую фурму, дутье дает пламя. Последовательность: завалка (лом, Fe руда, жидкий чугун, известняк), опускание фурмы и дутье. Выгорание углерода, окисление Si. Через 15-16 мин дутье прекращают; сливают шлак, анализируют металл. Опускают фурму: 2-ая продувка. Шлак * , *. Добавляют . Опять подъем фурмы, сливание шлак, выпуск стали через боковую летку. Весь цикл 1 час. При дутье удаляется S. Делают раскисление стали, добавляют FeSi или FeMn, кислород связывается с Si и Mn. Чтобы сталь не разливать кипящей, Mn – до полуспокойной, Si – до спокойной. FeAl хорошо раскисляет.

Мартеновский способ. Скраппроцесс: лом 60-70%, 30-40% чушковый чугун. Скраб-рудный процесс: 20-50% скрабп жид чугун 50-80%, руда, , . Печи бывают основные и кислые(основные – вход и стенки выложены магнезитным кирпичом, кислые – дилосовым кирпичом).

Основной скрап процесс: завалка через окна ( скрап 55-70%, чугун чушковый 45-30%, 5-6% от массы металла, 3% Fe руды). Период плавления: образуется основной железистый шлак, дефосфорация. . Период рафинирования: медленно кипит, доводят до нужной концентрации С. . На высокотемпературных стадиях кипения идет удаление S. Период раскисление окончательно проводят глубинным, вводят раскислители FeS, FeMn, FeAl, SiO.

Выпуск стали в ковш.

Электро способ. Позволяет получить очень высокую температуру и восстановительную атмосферу. В дуговых печах. Загрузка через свод приподнятой отодвинутой крышки. Те же стадии плавки. В индукционных печах. Индуктор окружают огнеупорным тиглеми доводят до расплава руды. Хороши для переплава и выплавки чистых шихтованных материалов в вакууме с низким содержанием С.

Металлургия Cu, Al, Ti.

Медь. Как конструкционный материал в виде латуни и бронзы, а так же как электротехнический материал.

Руды:CuS, , , (медный колчедан), , (малахит), . В рудах всего 1-2% меди, остальное песчаник, глина, известняк, сульфиды других металлов.

Способы очистки:

1. пирометаллический 90%

2. гидрометаллический 50%

Пирометаллический: обогащение руды, обжиг, плавка на штейн, выплавка черновой меди, рафинирование. Обогащение флотацией, руда теперь содержит до 35% меди (продукт - концентрат). Обжиг в высоких многоподовых печах (850ºС) из медных сульфидов выгорает сера (на производство ) продукт – обожженный концентрат. Плавка на штейн: концентрат расплавляют (1500-1600º) на поду скапливается штейн ( 20-60% Cu, 10-20% Fe, 20-25% S). Шлак FeO, . Выплавка черновой меди: продувка расплавленного штейна воздухом в конверторах за 2 периода. Рафинирование огневое в пламенных печах окисление примесей при продувке воздухом. Рафинирование электролитическое в железобетонных ваннах, выложенных Pb.

Алюминий. Руды – бакситы AlOOH, ; глинозем ; нефелины; алуниты.

Производство:

1. глинозема из бакситов

2. металла Al электролизом расплавленного глинозема

Подготовка бакситов (дробление, мокрый размол с добавлением щелочи). Выщелачивание (варка пульпы 120ºС, 3 МПа) добавляют NaOH, образуется , сливают и многократно фильтруют, разбавляют водой, сгущают, для получения в чанах. Выкручивание (декомпозиция) с выделение в осадок.

Кальцинация – обезвоживание прокаливанием в трубчатых печах (1200ºС)

выход глинозема

Электролиз глинозема осуществляется в электролизерах – ваннах, футированных углеродными блоками, в под вмонтированы катодные шины. А сверху вертикальный самообжагающийся угольный электрод, частично погруженный в электролит и креолит. При электролизе анод постепенно сгорает и его наращивают. Условия const I, U=4-4,5 B, A/cm³

Рафинирование хлором, дуют через расплав

Титан. Руды – идминит , рутил , сфен

Обогащение магнитное и гравитационное. Восстановительная плавка в электропечах, плавятся брикеты (Fe магнетитовые с коксом) с концентратом. Получается чугун( более 2,5% С и до 0,9% Mn и S, шлак: 60-65% , 15% , CaO, MgO. При охлаждении шлак рассыпается. Хлорирование шлака с углем при tºC>600ºC, хлор через фурмы, в нем расплавленные хлориды K, Mg.

Летучий хлорид идет в конденсаторные установки для ступенчатого охлаждения, где из-за разности степеней конденсаций очищается от примесей, превращаясь в жидкость. Конденсат (tºCкип=+136ºC, tºCплав=-23ºС). Отстаивают и длительно ректифицируют, получают бесцветную жидкость с 0,01 % примесей.

Металл Ti чаще всего восстанавливают Mg, процесс периодический и в цилиндрических вертикальных стальных ретортах. Из них откачивают воздух, заполняют аргоном и нагревают до 800ºС, заливают жидкий Mg и начинают подачу жидкого . Регулируем температуру, добавлением при комнатной температуре. Получается Ti губка, осаждающаяся на стенках реторты в виде кристаллов. периодически сливают. После завершения подачи и затухания реакции, реторту нагревают до 900ºС и выдерживают 1 час до завершения восстановления . Реторту вытаскивают и охлаждают водой. Продукт Ti губка 50-70%. Затем медленно охлаждают до комнатной температуры и вырубают губку. Воздушно дуговой переплав из губки электродов ведут в водноохлождаемом кристаллизаторе.