Док 6. Темы 2-7 ИноШ Для студентов/курсантов 1-го курса онма

ТЕЗИСЫ ЛЕКЦИЙ Кривощекова В.Е. ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ

Тема 2. «Общие сведения о происхождении и строении различных

материалов, их классификация». «Механические свойства материалов

и методы их определения»

«Студент! Помни! Когда ты попадешь на работу на реальный пароход

(если, конечно, вообще попадешь), то тебе скажут: «Забудь все,

чему тебя учили в морской академии, и начинай учиться заново…».

Главное научиться учиться, а учиться придется самому и всю жизнь!

[А. Райкин в период развитого социализма и автор сейчас]

2.1. Классификация и происхождение (производство) материалов

Ключевые слова: классификация материалов, производство стали, чугуна и цветных металлов, сплавов, неметаллических материалов

В общем случае технические материалы классифицируются по схеме, которая представлена на рис. 2. (будет представлен на лекции)

Применяемые в технике металлы принято делить на черные и цветные. К черным относят железо и его сплавы, к цветным - все остальные металлы.

Вначале железо получали непосредственно из руды восстанов­лением в горнах. С увеличением высоты горнов железо насыщалось углеродом, получался сплав хрупкий, но с хорошими литейными свойствами. Этот сплав был назван чугуном.С XIII в. чугун начали перерабатывать всталь -сплав с меньшим, чем в чугуне, содержа­нием углерода, кремния, марганца и некоторых других элементов. Сталь обладала высокой пластичностью и прочностью. Такая двухстадий­ная схема производства стали - выплавка чугуна в доменной печи и передел его в сталь - является и в настоящее время основной.

Чугунвыплавляют из железных руд пирометаллургическим спосо­бом (получение тепла за счет сжигания топлива)в доменных печах, используя для этого твердое топливо - кокс и флюсы.

Кокс выполняет еще и роль восстановителя железа из руды, а флюс - позволяет переводить пустую породу в шлак, связывать и удалять находящуюся в топливе и руде серу. В качестве флюса слу­жит известняк СаСО₃.

Физико-химическая сущность производства чугуна заключается в следующем. Шихта доменной печи нагревается, из нее испаряется влага, - выделяются летучие вещества, которые при температуре 750-900^ОС вступают в химическую реакцию с восстановлением железа.

Часть закиси железа восстанавливается углеродом кокса, обра­зуя так называемое губчатое железо, которое при температуре 1OOO- 11OO^ОCнауглероживается.

Углерод, понижая температуру плавления сплава, способствует его расплавлению и дополнительному насыщению сплава углеродом и другими элементами, восстанавливаемыми из руды: марганцем, крем­нием, фосфором, серой. По мере образования и накопления чугун и шлак выпускают из печи.

Стальполучают различными способами:в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах. Физико-химическая сущность производства стали заключается в переделе чугуна, уменьшения в нем содержания углерода и других элементов и перевода их в шлак или газы.

Кислородно-конверторный процессполучения стали заключается в продувке жидкого чугуна кислородом. При продувке происходит окисление углерода и других примесей как непосредственно кислоро­дом дутья, так и оксидом железаFeO. Для уменьшения содержания кислорода сталь при выпуске из конверторараскисляют, т.е.вводят в нее элементы с большим, чем у железа, сродством к кислороду (Si,Mn,Al). Взаимодействуя с FeO, они образуют нерастворимые оксидыMnO,SiO₂, Аl₂O₃, переходящие в шлак.

Мартеновский процессполучения стали заключается в окислении примесей чугуна за счет оксидов железа руды и скрапа (стального лома):

Сера удаляется в результате взаимодействия сернистого железа с известью: FeS+ СаO =FeO+CaS. ОксидыSiO₂, MnO,P₂O₅,CaO,aтакже сульфидCaSобразуют шлак. Окончательно сталь раскисляют алюминием и ферросилицием при выпуске стали из печи.

Производство стали в электропечахобладает рядом преиму­ществ: способностью быстрого нагрева и поддержания заданной тем­пературы в пределах до 2000^OC, возможностью создания окислитель­ной, восстановительной или нейтральной атмосферы, а также вакуу­ма. Это позволяет получать стали с минимальным количеством приме­сей и оптимальным содержанием нужных компонентов. Эти стали отличаются высоким качеством и обладают специальными свойствами. Восстановительный период включает раскисление стали, удаление серы и доведение со­держания всех компонентов до заданного уровня. Физическая сущность хими­ческих реакций аналогична предыдущим с некоторыми особенностями. Плавка без окисления применяется для получения легированной стали из скрапа и отходов соответствующего состава.

Строение слитка при разливке стали определяется не только скоростью охлаждения (кристаллическим строением), но и степенью раскисления. По этому признаку стали делятся на кипящие, спокой­ные и пулуспокойные.

Кипящей называют сталь, не полностью раскисленной в печи. Ее раскисление продолжается в изложнице. Поэтому в слитке образуется не усадочная раковина, а большое количество газовых пузырей, ко­торые устраняются последующей горячей прокаткой. Такая сталь наи­более дешевая, практически не содержит примесей, обладает высокой пластичностью.

Спокойную стальполучают при полном раскислении металла в печи и ковше. Такая сталь имеет плотную структуру, а усадочная раковина концентрируется в верхней части, что значительно умень­шает выход годного металла.

Полуспокойная стальполучается при раскислении ферромарган­цем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия. В ниж­ней части слитка такая сталь имеет строение спокойной, а в верх­ней – кипящей.

Производство цветных металловотличается большим разнообра­зием технологических процессов выплавки и определяется особеннос­тями состава их руд.

Медьполучают из сульфидных руд, в которых она находится в виде сернистых соединенийCuS,Cu₂S,CuFeS₂и др. Процесс выплав­ки меди включает обогащение и обжиг руды, выплавку полупродукта – штейна, из которого затем получают черновую медь с последующей очисткой – рафинированием.

Алюминийполучают из бокситов, апатитов и других руд. Алюми­ний входит в них в виде глиноземаAl₂O₃Производство алюминия состоит из двух процессов: выделения глинозема из руды и его электролиза.

Титанполучают из ильменитовой рудыTiO₂*FeO. Полученный после обогащения руды электромагнитным или гравитационным спосо­бом концентрат подвергают восстановительной плавке в электродуго­вой печи для удаления оксидов железа.

Подробнее производство цветных металлов см. в [рекомендованной литературе, Док. 5 и по ссылке:http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].

Производство неметаллических материаловосновано на исполь­зовании в основном синтетических полимеров, являющихся продуктами химической переработки нефти, природных газов, каменного угля, горючих сланцев. Кроме этого полимеры встречаются и в природе: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Синтезом можно получать полимеры с разнообразными свойствами и даже создавать материалы с заранее заданными характеристиками.В судостроении и судоремонте нашли применение следующие не­металлическиематериалы: пластмассы, резина, асбест, клеи, лакок­расочные материалы и др.

Пластмассыполучают из синтетических или природных полимеров совместно с другими компонентами: наполнителями, красителями, пластификаторами и др. Они способны при определенных условиях формоваться и сохранять приданную им форму. В качестве связующего вещества используются синтетические смолы.

Резинуполучают путем специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Как технический ма­териал она отличается высокими пластическими свойствами.

Клеямиобычно называют коллоидные растворы пленкообразующих полимеров, способные при затвердевании образовывать прочные плен­ки. Хорошо прилипающие к различным материалам.

Лакокрасочные материалыпринадлежат к группе пленкообразую­щих материалов. Кроме пленкообразующих веществ (синтетические смолы, масла) компонентами их являются растворители, пластифика­торы и др.

Асбестомназывают группу минералов волокнистого строения, представляющих собой скопление тончайших волокон в виде кристал­ликов, удлиненных по одной из своих осей. По специальной техноло­гии асбестовые минералы расщепляют на эластичные и прочные волок­на. Эти волокна являются исходным сырьем для производства ряда асбестовых материалов; нитей, шнуров, листовых и фрикционных ма­териалов, сальниковой набивки и т.д.В настоящее время использование асбестовых материалов запрещено в большинстве развитых стран.

Более подробно о неметаллических материалах см. [рекомендованную литературу, Док. 5 и по ссылке: http://krivoshchekov.at.ua/index/kursantam/0-15].