49.Пластмассы, упрочненные волокнами. Свойства применение.

Для несущих и ограждающих конструкций применяют большую группу полимерных композиционных материалов, упрочненных волокнами. К волокнистым композитам принадлежат стеклопластики, древесностружечные (ДСП) и древесноволокнистые плиты (ДВП) и некоторые другие листовые, плитные и рулонные материалы. Полимерный волокнистый материал состоит из двух основных компонентов: упрочняющих волокон и связующего—полимера или каучука. Стеклопластики — это листовые материалы из стеклянных волокон или тканей, связанных полимером. Связующим веществом в стеклопластиках обычно служат феноло-формальдегидные, полиэфирные и эпоксидные полимеры. Выпускают три разновидности стеклопластиков: на основе ориентированных волокон, рубленых волокон и тканей или матов. Стеклопластики с ориентированными волокнами обладают большей прочностью, легкостью, что в сочетании с химической стойкостью делает их эффективным материалом для строительных конструкций, емкостей и труб.  Стеклопластики с рубленым стеклянным волокном изготовляют в виде волнистых или плоских листов на полиэфирном связующем, обладающем светопрозрачностью. Эти изделия применяют для устройства кровель, ограждений балконов, лоджий и перегородок.

Стеклопластики, изготовляемые на основе стеклянной ткани (стеклотекстолиты), получают горячим прессованием полотнищ ткани, пропитанной термореактивным полимером, при высоком давлении и температуре. Стеклотекстолит идет для наружных слоев трехслойных стеновых панелей. Этот же материал применяют для устройства оболочек и других строительных конструкций. Стеклопластики получают также прессованием пастообразной массы из полиэфирного полимера, стекловолокна, асбеста и порошкообразного наполнителя. Из этого материала формуют оконные и дверные блоки, фурнитуру, санитарно-технические изделия. Древесностружечные плиты изготовляют путем горячего прессования специально приготовленных древесных стружек с термореактивными жидкими полимерами. В качестве декоративной отделки, защищающей плиты от увлажнения и истирания, применяют полимерные пленочные материалы, бумагу, пропитанную смолами. Нередко поверхность плит покрывают водостойкими фенольными или эпоксидными лаками. Плиты средней и высокой объемной массы применяют как конструкционный и отделочный материал. Плиты малой объемной массы служат тепло- и звукоизоляционным материалом. Для придания плитам биостойкости в полимерно-стружечную массу добавляю- антисептики.

Древесноволокнистые плиты изготовляют путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из древесных волокон, наполнителей, полимера и специальных добавок. Древесину на рубильных машинах перерабатывают и щепу, которую проваривают в 1—2%-ном растворе едкого натра для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ. Затем щепу размельчают в дефибраторах и других машинах до состояния тонких волокон. После дополнительной обработки паром волокна смешивают с водой и указанными добавками. При изготовлении сверхтвердых плит в смесь вводят феноло-формальдегидный полимер.   Отделочные плиты облицовывают синтетической пленкой с прокладкой текстурной бумаги под цвет и текстуру древесины ценных пород. Их также выпускают с матовой поверхностью, окрашенными водоэмульсионными поливинилацетатными красками. Такие плиты служат облицовкой стен и потолков. Плиты, окрашенные эмалями, имеют глянцевую поверхность и они более водостойки. Эти плиты применяют для облицовки стен в медицинских учреждениях, продуктовых магазинах и т. п.   Изоляционные древесноволокнистые плиты находят широкое применение в виде тепло- и звукоизоляционного материала.

50. основные области применения в строительстве реактопластов и термопластов Термопласты.Пластмассы, которые после формования изделия сохраняют способность к повторной переработке.Наиболее распространены термопласты на основе полиэтилена, поливинилхлорида,полистирола.Полиамид стеклонаполненный лсв-30,рабочая тем-ра 180 гр.с

Реактопласты.Термореактивные пластмассы, пластмассы, переработка которых в изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала .Наиболее распространены реактопласты на основе феноло-формальдегидных, полиэфирных, эпоксидных и карбамидных смол. Содержат обычно большие количества наполнителя - стекловолокна, сажи, мела и др.Реактопласт (основной) - ДСВ-2Р-2М, рабочая температура 300 гр. СРеактопласт (заменители) - фенопласты, рабочая температура 300 гр. СВ зависимости от характера превращений, происхо­дящих с материалом при формовании, полимеры подразделяются на термопласты и реактопласты. К важ­нейшим термопластам относятся полиэтилены, поливинилхлориды, полистиролы. Термопласты в основном пе­рерабатываются литьем под давлением, термовакууми-рованием и термопневмоформованием. Реактопластами называются материалы, переработка которых в изде­лия сопровождается химическими реакциями. При этом полимер отверждается, переходит в трехмерносшитук» структуру, теряя способность переходить в вязкотекучее состояние. К важнейшим видам реактопластов от­носятся фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпок­сидные, карбамидные, полиуретановые полимеры. При формовании изделий из термопластов не происходит от­верждения. Материал в изделии способен переходить в вязкотекучее состояние.для рабочих элементов форм строительных конструкций необходимо повышать проч­ность, жесткость, теплопроводность, тепло-, свето-, ат­мосфере- и термостойкость, снижать тепловое расшире­ние, стоимость; придавать специальные, (магнитные, ан­тифрикционные, электропроводящие 1и др.) свойства. Требуемое сочетание наиболее легко достигается вве­дением в полимерный материал различных компонен­тов, которые при совместной работе способны оказы­вать синергический эффект. Такие материалы, называются композиционными полимерными материалами — компо­зитами. Реактопласты не поддаются формовке. Они при нагреве не плавятся, а просто разрушаются и утрачивают внутреннюю структуру. Область применения реактопластов - корпуса бытовой техники, электрические патроны и т.д.

Термопласты.Благодаря особой технологии изготовления термопласты сохраняют внутренние связи даже после полного расплавления, они менее хрупки, что выгодно отличает их от реактопластов. Термопластами являются целлюлоза, плексиглас (оргстекло) а также полистирол, поливинилхлорид, полиэстилен и полиэтилен. Для изготовления пластмассовых труб наиболее часто используют полипропилен, поливинилхлорид, полиэтилен. Применение термопластов бескрайне широко, благодаря своим отличительным качествам. Довольно часто и в больших объемах термопластический материал используется для производства мебели и фурнитуры, труб, проводки, во всех областях строительства, применяется в парниках для сельскохозяйственных культур и даже в зубоврачебной практике, как материал для протезирования.Хорошую химическую стойкость показал термопласт полиэтилен. Возможность изготовления изделий квазиизотермическим способом позволяет выпускать крупногабаритные бесшовные ПЭ емкости для агрессивных жидкостей, вроде кислот, щелочей и растворов.Высокая ударная выдержка и прочность при многократном изгибании характеризует полипропилен. Он имеет высокий показатель твердости, низкую паро- и газопроницаемость. Его износостойкость приравнивается к полиамидам. Благодаря неполярной структуре ПП не чувствителен по отношению к химикалиям (спиртам, сложным эфирам, кетонам) и кислотам. Довольно устойчив при контакте с водными растворами неорганических солей, кипятка и щелочи.Термопласт сэвилен (сополимер этилена с винилацетатом) имеет высокую прозрачность, нетоксичен, устойчив к старению и стабилен во время переработки. Из различных его марок ведется производство выдувных изделий, шлангов, прокладок, и даже игрушек, что указывает на экологическую чистоту материала. Из него изготавливают прозрачные, стойкие к атмосферному влиянию пленки. Благодаря высоким адгезионным свойствам этого термопластичного полимера, область его применения распространяется на производство картона и тары.Любой термопласт имеет малый вес, высокие параметры гибкости и низкую строительную стоимость.

51. Влияние строения древесины на свойства деревянных материалов и изделий. От пористости, плотности, направления волокон древесины зависит ее теплопроводность. Увеличение влажности и плотности древесины приводит к увеличению теплопроводности. Звукопроводность древесины выше звукопроводности воздуха в 2-17 раз. Распространение звука зависит от породы дерева и направления движения звука. Быстрее звук распространяется вдоль волокон.

Цвет древесины зависит от района произрастания, породы, возраста дерева и т.д. Цвет свежих разрезов большинства пород под влиянием воздуха и света постепенно изменяется - становится темнее и менее ярким. Деревья, растущие в умеренном климате имеют более светлую окраску древесины, нежели деревья тропических регионов. Интенсивность окраса древесины увеличивается с возрастом дерева. Заболевание грибами может вызвать изменение цвета древесины (потускнение). Блеск у разных пород древесины зависит от плотности и вида разреза. Блеск наблюдается в радиальном разрезе у некоторых лиственных пород, клена, бука, красного дерева. Дуб обладает сильно развитыми сердцевинными лучами, дающими в радиальном разрезе блестящие пятна.

Рисунок и текстура поверхности зависит от микроструктуры дерева. Она состоит из крупных сосудов, сердцевинных лучей, годовых слоев и направления волокон. Текстура разнообразнее у деревьев со сложной микроструктурой. Свойства древесины зависят от ее влажности, плотности, наличия пороков. Чем больше плотность древесины, тем она прочнее. Увеличение влажности приводит к снижению прочности и твердости древесины и, наоборот, уменьшение количества влаги повышает механические характеристики. Древесину широко используют для конструкций, работающих на изгиб (балки, фермы, стропила), потому что она хорошо сопротивляется изгибу. Древесина неплохо сопротивляется вибрационным и ударным нагрузкам. Являясь естественным полимерным материалом, она практически не стареет, что выгодно отличает ее от искусственных полимерных материалов.

52. Физические и механические свойства древесины. Физические свойства древесины. Свойства древесины, обнаруживаемые при испытаниях, не приводящих к изменению химического состава, называются физическими: внешний вид, влажность, тепловые свойства, электрические свойства, звуковые. Внешний вид древесины. Он характеризуется следующими свойствами: цветом, блеском, текстурой и макроструктурой. Под цветом древесины понимают определённое зрительное ощущение, которое зависит, в основном, от спектрального состава отражённого ею светового потока. Блеск - это способность древесины направленно отражать световой поток. Влажность древесины. Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе сухой древесины: W = (m - m₀) / m₀ * 100, где m - начальная масса образца древесины, г, а m₀ - масса образца абсолютно сухой древесины, г. По степени влажности различают древесину:мокрую, свежесрубленную, воздушно-сухую воздухе; комнатно-сухую, абсолютно-сухую Усушка. Уменьшение линейных размеров и объёма древесины при удалении из неё связанной воды называется усушкой. Удаление свободной воды не вызывает усушки. Влагопоглощение. Способность древесины вследствие её гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. Влагопоглощение практически не зависит от породы. Способность к поглощению влаги является отрицательным свойством древесины Разбухание. Увеличение линейных размеров и объёма древесины при повышении в ней содержания связанной воды называется разбуханием. Разбухание происходит при выдерживании древесины во влажном воздухе или воде. Водопоглощение. Способность древесины увеличивать свою влажность при непосредственном контакте с капельножидкой водой называется водопоглощением. Максимальная влажность, которой достигает погруженная в воду древесина, складывается из предельного количества связанной воды и наибольшего количества свободной воды. Плотность. Это свойство характеризуется массой единицы объёма материала, и имеет размерность в кг/м³ или г/см³. Тепловые свойства. Теплопроводность - свойство, характеризующее интенсивность переноса тепла в материале. Электрические свойства. Электропроводность - способность древесины проводить электрический ток, которая находится в обратной зависимости от электрического сопротивления. Сухая древесина относится к диэлектрикам. Звуковые свойства Одно из этих свойств - звукопроводность, показателем которой являются скорость звука.

Механические свойства древесины Применение древесины в качестве конструкционного материала обусловлено способностью сопротивляться действию усилий, т.е. механическими свойствами. Различают следующие свойства древесины, проявляющиеся под воздействием механических нагрузок: прочность - способность сопротивляться разрушению, деформативность - способность сопротивляться изменению размеров и формы, технологические и эксплуатационные свойства. Показатели механических свойств древесины определяют обычно при следующих видах испытаний: растяжении, сжатии, изгибе и сдвиге.

53. Долговечность древесины и способы её повышения. Повышение долговечности деревянных конструкций и изделий достигается применением надежных способов защиты древесины от разрушения. К числу их относят сушку древесины, ее антисептирование, нанесение на поверхность стойких огнезащитных составов, конструктивные меры по предотвращению увлажнения конструкций в процессе эксплуатации, а также применение клееных деревянных конструкций. Сушка пиломатериалов является одним из основных мероприятий, проведение которого обеспечивает значительное удлинение срока службы и повышение качества деревянных конструкций и изделий. Сушка древесины может быть естественной и искусственной. Естественную сушку осуществляют на открытом воздухе, под навесами или в закрытых помещениях до воздушно-сухого состояния. Искусственная сушка древесины производится в сушильных камерах горячим воздухом, газом,

Защита древесины от гниения и поражения насекомыми. Для этого принимают ряд конструктивных мер: изолируют ее от грунта, устраивают специальные каналы для проветривания, защищают от атмосферных осадков. Для антисептировання древесины используют водорастворимые и маслянистые антисептики, а также антисептические пасты. Антисептические пасты приготовляют из водорастворимого антисептика (фтористого или кремнефтористого натрия), связующего вещества (битума, экстракта сульфитного щелока, глины и др.) и наполнителя. Ими заливают также трещины в деревянных конструкциях для предохранения их от загнивания.

Древесина является легковозгораемым материалом, поэтому конструктивные огнезащитные мероприятия сводятся к отдалению деревянных частей сооружений от источников нагревания и покрытию деревянных конструкций штукатуркой, асбестовым картоном и асбестоцементными листами. Кроме того, на деревянные конструкции наносят огнезащитные составы или пропитывают древесину химическими веществами — антипиренами

54. Особенности пробковых стеновых панелей. Пробковый дуб произрастает в странах Средиземноморья. Уникальность этого дерева состоит в том, что оно способно регенерировать очень гибкую кору - пробку. Пробковые панели изготавливаются из гранул измельченной коры, которые  прессуется в блоки при высокой температуре и без добавления связующих веществ, так как пробка содержит уникальный природный «клей высшего качества» - суберин. Далее агломерированные блоки охлаждаются под паром, стабилизируются не менее двух недель и режутся на панели различных толщин. Благодаря суберину пробка не пропускает воду и не гниет. Особенности молекулярного строения пробки определяют ее ценные качества: легкость, эластичность, упругость, долговечность, не образуют разряды статического электричества, высокие тепло- и звукоизоляционные свойства.

Именно они делают этот материал незаменимым для внутренней отделки жилых помещений и офисов. Теплоизоляционные свойства пробки объясняются тем, что природная пробка на 50% состоит из огромного количества микроскопических пузырьков воздуха. Звукоизоляционные и демпфирующие (способность гасить колебания) свойства объясняются 'сотовой' структурой пробки. Ну и наконец, пробковые покрытия защищают человека от вредного воздействия гео- и технопатогенных зон, а также снижают фон радиоактивных излучений.

55. Кристаллическое строение металлов и сплавов. Первичная и вторичная кристаллизация. Металлы и их сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Их атомы (ионы, молекулы) располагаются в пространстве в строго определенном порядке и образуют пространственную кристаллическую решетку. Наименьший комплекс атомов, который при многократном повторении в пространстве воспроизводит решетку, называется элементарной кристаллической  ячейкой. Форма элементарной кристаллической ячейки определяет совокупность свойств металлов: блеск, плавкость, теплопроводность, электропроводность, обрабатываемость и анизотропность (различие свойств в различных плоскостях кристаллической решетки) .

Пространственные кристаллические решетки образуются при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Этот процесс называется кристаллизацией. Кристаллизация состоит из двух стадий. В жидком состоянии металла его атомы находятся в непрерывном движении. При понижении температуры движение атомов замедляется, они сближаются и группируются в кристаллы. Образуются так называемые центры кристаллизации  (первая стадия). Затем идет роет кристаллов вокруг этих центров (вторая стадия). Вначале кристаллы растут свободно. При дальнейшем росте кристаллы отталкиваются, рост одних кристаллов мешает росту соседних, в результате чего образуются неправильной формы группы кристаллов, которые называют зернами. Размер зерен существенно влияет на эксплуатационные и технологические, свойства металлов. Крупнозернистый металл имеет низкую сопротивляемость удару, при его обработке резанием возникает трудность в получении малой шероховатости поверхности деталей. Размеры зерен зависят от природы самого металла и условий кристаллизации.

56. Структурные составляющие в железо-углеродистых сплавах. Краткая характеристика. Металлический сплав получают сплавлением двух или более элементов. В технике широко применяют сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, хромом, никелем и другими веществами.

Элементы - металлы и неметаллы, образующие сплав, называются компонентами. Свойства сплава зависят от многих факторов, но прежде всего они определяются составом фаз и их количественным соотношением. Фаза – это однородная по химическому составу, строению, свойствам часть сплава, отделенная от других частей (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура изменяется скачком. Сплавы могут составлять следующие элементы структуры: механические смеси, твердые растворы и химические соединения. Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку одного компонента атомов другого компонента.

Твердые растворы бывают двух типов: твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения. При образовании химических соединений компоненты вступают в химическое взаимодействие. К химическим соединениям относят карбиды, оксиды, сульфиды и др. Механические смеси представляют собой смесь двух фаз, когда отсутствует взаимодействие между компонентами, нет взаимного растворения, компоненты не вступают в химические реакции и их кристаллические решетки различны. Процесс кристаллизации сплавов и связанные с ним закономерности строения сплавов изучают по диаграммам состояния. Диаграммы состояния - это графические изображения, показывающие в условиях равновесия фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов. Под равновесным состоянием сплава понимают такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью в соответствии с диаграммой состояния. Такое состояние наступает при медленном охлаждении сплава. По диаграммам состояния можно определить число фаз в 5 сплавах, относительное количество каждой фазы, ее состав и природу: компоненты, твердый раствор, химическое соединение, определить температуры плавления, затвердевания и аллотропических превращений в сплавах.

57. Принципиальная сущность процессов при получении стали из чугуна. Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.Поэтому сущностью любого металлургического передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. взаимодействие чугуна с кислородом в сталеплавильной печи:

Fe+l/2О₂ = FeO + Q кДж. (2.1) 2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q₁ кДж; (2. 2)5FeO + 2P = P₂O_s + 5Fe + Q₂ кДж; (2. 3)

FeO + Mn = MnO + Fe + Q₃ кДж; (2.4) FeO + C = CO + Fe-Q₄ кДж. (2. 5)

Чем больше оксида железа содер­жится в жидком металле, тем активнее окисляются примеси. Для ускорения окисления примесей в сталеплавильную печь добавляют железную руду, ока­лину, содержащие много оксидов же­леза. После расплавления шихты в стале­плавильной печи образуются две не-смешивающиеся среды: жидкий металл и шлак. Металл и шлак разделяются из-за различных плотностей. Нерастворимые соединения, в зави­симости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. про­цессы выплавки стали осуществляют в несколько этапов.

Первый этап — расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла. На этом этапе температура металла не­высока; интенсивно происходят окис­ление железа, образование оксида же­леза и окисление примесей Si, Р, Мп по реакциям (1)—(4). Наиболее важная задача этого процесса — удаление фо­сфора (одной из вредных примесей в стали

Второй этап — «кипение» металличес­кой ванны. При повыше­нии температуры металла в соответст­вии с принципом Ле Шателье более интенсивно протекает реакция (5) окис­ления углерода, происходящая с погло­щением теплоты. Образующийся в металле оксид же­леза реагирует с углеродом по реакции (5), а пузырьки оксида углерода СО выделяются из жидкого металла, вы­зывая «кипение» ванны (FeS) + (CaO) = (CaS) + (FeO).

Третий этап (завершающий) — раскис­ление стали заключается в восстанов­лении оксида железа, растворенного в жидком металле. При плавке повыше­ние содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород — вредная примесь, так как понижает механичес­кие свойства стали, особенно при высо­ких температурах. Чугун переделывают в сталь в раз­личных по принципу действия метал­лургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, дуго­вых электропечах.

58. Основные этапы плавки в основных мартеновских печах, конверторах, электропечах. Мартеновская печь — пламенная отражательная регенератив­ная печь. В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса: 1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25—45% чушкового передельного чугуна; 2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75%), скрапа и железной руды.

Плавка стали скрап-рудным процессом в основной мартеновской печи. В печь за­гружают железную руду и известняк и после их подогрева подают скрап. По окончании прогрева скрапа в печь заливают жидкий чугун, который вза­имодействует с железной рудой и скра­пом. В период плавления за счет оксидов руды и скрапа интенсивно окисляются примеси чугуна, затем период «кипе­ния» ванны, когда отключают подачу в печь топлива и воздуха и уда­ляют шлак. В основных мартеновских печах вы­плавляют стали углеродистые конст­рукционные, низко- и среднелегирован-ные (марганцовистые, хромистые), кро­ме высоколегированных сталей и спла­вов, которые получают в плавильных электропечах. Кислый мартеновский процесс. Этим способом выплавляют качественные стали. Кислая сталь имеет более высо­кие механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, и ее используют для особо ответственных деталей: коленчатых валов крупных двигателей, роторов мощных турбин, шарикоподшипников. Кислородно-конвертерный процесс — это выплавка стали из жидкого чугуна в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом через водоох-лаждаемую фурму.Кислородный конвертер—это сосуд грушевидной формы из стального листа, футерованный основным кир­пичом. Вместимость конвертера 130— 350 т жидкого чугуна. Шихтовыми материалами кислород­но-конвертерного процесса являются жидкий передельный чугун, стальной лом (не более 30%), известь для наведения шлака, железная руда, а также боксит (А1₂О_э), плавиковый шпат (CaF₂), которые при­меняют для разжижения шлака.Кислородно-конвертерный процесс — более производительный, чем плавка стали в мартеновских печах. Плавильные электропечи имеют пре­имущества по сравнению с другими плавильными агрегатами, так как в них можно получать высокую температуру металла, создавать окислительную, вос­становительную, нейтральную атмосфе­ру и вакуум, что позволяет выплавлять сталь любого состава, раскислять ме­талл с образованием минимального количества неметаллических включе­ний— продуктов раскисления.

Индукционные печи имеют преиму­щества перед дуговыми: в них отсут­ствует электрическая дуга, что позволя­ет выплавлять сталь с низким содер­жанием углерода, газов и малым уга­ром элементов; при плавке в металле возникают электродинамические силы, которые перемешивают металл в печи и способствуют выравниванию хими­ческого состава, всплыванию неметал­лических включений; небольшие раз­меры печей позволяют помещать их в камеры, где можно создавать любую атмосферу или вакуум.

59. Способы повышения качества стали. В выплавленной стали всегда содержится определенное количество газов и неметаллических включений. Содержание газов существенно снижает механические и другие свойства стали. Неметаллическими включениями, содержащимися в стали, являются соединения железа, кремния, марганца и др. Основными металлургическими способами снижения содержания газов и неметаллических включений в стали являются: электрошлаковый ее переплав, рафинирование синтетическим шлаком, вакуумная дегазация, вакуумно-дуговой переплав, переплав в электроннолучевых печах и др. Снижение в стали неметаллических включений достигается также изменением сочетания и последовательности введении раскислителей.

При электрошлаковом переплаве из металла, подлежащего обработке, вначале изготавливают электроды, которые затем опускают в сой рабочего флюса, обладающего высоким сопротивлением. При прохождении электрического тока рабочий флюс плавится и образуется шлак, который выделяет тепло. Проходя через жидкий шлак, капли металла очищаются от вредных примесей и образуют высококачественный слиток. Этот метод целесообразно применять при получении высококачественных шарикоподшипниковых сталей, жаропрочных сплавов, изготовлении деталей турбин и др. Сущность обработки металла синтетическим шлаком заключается в том, что жидкую сталь из плавильной печи выливают в ковш со специальным синтетическим шлаком с большой высоты. При бурном перемешивании шлак всплывает, сталь получается чистой. Рафинирование жидким синтетическим шлаком в ковше улучшает макроструктуру стали, удаляет до 70% серы.

Вакуумная дегазация- один из наиболее распространенных способов повышения качества стали- заключается в удалении из стали водорода, кислорода и азота. При вакуумировании резко повышаются механические свойства сталей. основными способами вакуумной обработки являются вакуумирование в ковше, вакуумирование струи металла при переливе из ковша в ковш или при заливке в изложницу и др. Сущность вакуумирования в электроннолучевых печах заключается в том, что на переплавляемый металл, находящийся в вакуумной камере, направляют электронные лучи из катодов. В процессе воздействия высокой температуры металл расплавляется и рафинируется в вакууме. Существенное влияние на свойства сталей оказывает легирование-намеренное введение в состав сплава соответствующих компонентов. Это приводит к изменению не только механических ,химических и технологических, но и специальных свойств сталей. Основными легирующими элементами являются: кремний, марганец, никель, хром, вольфрам, алюминий, молибден, ванадий, титан, кобальт, медь и другие металлы.

60. Основные способы и исходные материалы при производстве меди, алюминия, магния, титана. Производство меди. Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и её сплавы. В рудах содержится 1 – 6% меди. Руду, содержащую меньше 0,5% меди,не перерабатывают. В рудах медь находится в виде сернистых соединений (CuFeS2 – халько-пирит, Cu2S – халькозин, CuS – ковелин), оксидов (Cu2O, CuO) и гидрокарбонатов [CuCO 3 ⋅ Cu (OH) 2 , 2CuCO 3 ⋅ Cu (OH) 2 ] . Известны два способа получения меди из руд: - гидрометаллургический; - пирометаллургический. Пирометаллургический способ пригоден для переработки всех руд ивключает следующие операции: - подготовка руд к плавке; - плавка на штейн;- конвертирование штейна;- рафинирование меди.

Производство алюминия. Алюминий получают электролизом глинозема (Al2O3) в расплавленномкриолите (Na3AlF6) с добавлением фтористых алюминия (AlF3) и натрия (NaF). Алюминиевыми рудами при производстве алюминия являются бокситы, нефелины, алуниты, каолины. Наибольшее значение имеют бокситы. Алюминий в них содержится в виде корунда (Al2O3), гидроокисей (Al(OH)3, AlOOH), каолинита (Al 2 O 3 ⋅ 2SiO 2 ⋅ 2H 2 O) . Производство алюминия включает - получение безводного, свободного от примесей оксида алюминия (глинозема); - получение криолита из плавикового шпата; - электролиз глинозема в расплавленном криолите; - рафинирование алюминия.

Производство магния. Магний получают электролизом из его расплавленных солей.Основным сырьем для получения магния являются карналлит (MgCl 2 ⋅ KCl ⋅ 6H 2 O) , магнезит (MgCO3), доломит (CaCO 3 ⋅ MgCO 3 ) , бишофит (MgCl 2 ⋅ 6H 2 O) . Наибольшее распространение получил карналлит, который предварительно обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит(MgCl 2 ⋅ KCl) используют для приготовления электролита. Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотнымкирпичом Анодами служат графитовые пластины, а катодами – стальные пластины. Электролизер заполняют расплавленным электролитом, через который пропускают электрический ток. В результате разложения хлористого магния образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически удаляют с помощью вакуумного ковша.

Производство титана. Титан и его сплавы являются ценными конструкционными сплавами. По сочетанию свойств они превосходят многие легированные стали и сплавы металлов. Получение металлического титана затрудняется его очень высокой химической активностью при повышенных температурах. Титан образует химические соединения и твердые растворы со многими элементами. Поэтому при производстве титана требуются особые условия, обеспечивающие достаточную чистоту производимого металла. Для получения титана применяют магниетермический способ, которыйвключает операции: - получение титановых концентратов; - производство титанового шлака; - производство четыреххлористого титана; - восстановление четыреххлористого титана магнием; - вакуумная сепарация реакционной массы; - плавка титановой губки в вакуумных печах.

61. Исходные материалы для получения чугуна и стали. Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду, флюсы, топливо и огнеупорные материалы. Промышленной рудой называют горную породу, из которой при данном уровне развития техники целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в настоящее время целесообразно извлекать металлы из руд, если содержание их в руде составляет не менее 30 – 60% Fe; 3 – 5% Сu; 0,005 –0,02% Мо.

Руда состоит из минералов, содержащих металл или его соединения, и пустой породы (т. е. различных примесей). Руды называют по одному или нескольким металлам, которые входят в их состав, например: железные, медные, медно-никелевые. В зависимости от содержания добываемого металла руды бывают богатые и бедные. Бедные руды (с малым содержанием добываемого металла) обогащают, т. е. удаляют из руды часть пустой породы. В результате получают концентрат с повышенным содержанием добываемого металла. Использование концентрата улучшает технико-эко­номические показатели работы металлургических печей. Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения с пустой породой руды или концентратом и золой топлива. Такое соединение называют шлаком.

Обычно шлак имеет меньшую плотность, чем металл, поэтому он располагается в печи над металлом и может быть удален в процессе плавки. Шлак защищает металл от печных газов и воздуха. Шлак называют кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiО₂, Р₂О₅), и основным, если в его составе больше основных оксидов (CaO, MgO, FeO). Топливом в металлургических печах являются кокс, природный газ, мазут, доменный (колошниковый) газ.

62. Основные дефекты кристаллического строения материалов. Идеальная кристаллическая решетка представляет собой многократное по­вторение элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла ха­рактерно наличие большого количества де­фектов строения, нарушающих периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Эти де­фекты оказывают существенное влияние на свойства материала. Различают три типа дефектов кристаллического строения: точечные, линейные и поверхностные.

Точечные дефекты характеризуются малыми размерами во всех трех измерениях. Величина их не превышает нескольких атомных диамет­ров. К точечным дефектам относятся: а) свободные места в узлах кристал­лической решетки — вакансии; б) атомы, сместившиеся из узлов кристаллической решетки в межузельные промежутки — дислоци­рованные атомы; в) атомы других элементов, находя­щиеся как в узлах, так и в междоузлиях кристаллической решетки — при­месные атомы.Точечные дефекты образуются в процессе кристаллизации под воздей­ствием тепловых, механи­ческих, электрических воздействий, а также при облучении нейтронами, электронами, рентгеновскими лучами.

Линейные дефекты характеризуются малыми размерами в двух измерениях, но имеют значительную протяженность в третьем измерении. Наиболее важный вид линейных дефектов — дислокации. Помимо краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться и винтовые дислокации. Винтовые дислокации могут быть по­лучены путем частичного сдвига атомных слоев по плоскости , кото­рый нарушает параллельность атомных слоев. Кристалл как бы закру­чивается винтом вокруг линии . Дислокации образуются уже при кристаллизации металлов, а также в ходе пластической деформации и фазовых превращений. Использование теории дислокаций позволило объяснить большое расхож­дение между теоретической и фактической прочностью металлов.

Поверхностные дефекты имеют малую толщину и значительные размеры в двух других измерениях. Обычно это места стыка двух ориентированных участков кристаллической решетки. Ими могут быть границы зерен, грани­цы фрагментов внутри зерна, границы блоков внутри фрагментов. Соседние зерна по своему кристаллическому стро­ению имеют неодинаковую про­стран­ст­венную ориентировку решеток. Помимо перечисленных дефектов в метал­ле имеются макродефекты объемного характера: поры, газовые пузыри, неметаллические включения, микротрещины и т. д. Эти дефекты снижа­ют проч­ность металла.

63. Механические свойства металлов. Основные методы определения. Механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью. Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла, Виккерса. Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA. Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ. Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB.Замер твердости по Виккерсу производят при помощи алмазного наконечника, имеющего правильную форму четырехгранной пирамиды, который под действием нагрузки вдавливается в испытуемый образец. После снятия нагрузки измеряют диагонали полученного на образце отпечатка. Число твердости определяют путем деления нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка. Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление) и обозначают Σ_в (сигма). Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

64. Основные показатели пластичности металлических материалов. Пласти́чность — способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации. Свойство пластичности имеет решающее значение для таких технологических операций, как штамповка, вытяжка, волочение, гибка и др. Мерой пластичности является удлинение δ при разрыве. Чем больше δ, тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, золото, малоуглеродистая сталь и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали. У пластичных материалов прочностные характеристики на растяжение и сжатие сопоставляют по пределу текучести. Принято считать, что σ_т.р≈σ_т.с. Деление материалов на пластичные и хрупкие является условным не только потому, что между теми и другими не существует резкого перехода в значениях δ. В зависимости от условий испытания многие хрупкие материалы способны вести себя как пластичные, а пластичные — как хрупкие. Очень большое влияние на проявление свойств пластичности и хрупкости оказывают скорость нагружения и температура. При быстром нагружении более резко проявляется свойство хрупкости, а при медленном — свойство пластичности. Например, хрупкое стекло способно при длительном воздействии нагрузки при нормальной температуре получать остаточные деформации. Пластичные же материалы, такие как малоуглеродистая сталь, под воздействием резкой ударной нагрузки проявляют хрупкие свойства.

65. Основные этапы термической обработки сплавов. Термическую обработку применяют на различных стадиях производства деталей машин и металлоизделий. В одних случаях она может быть промежуточной операцией, служащей для улучшения обрабатываемости сплавов давлением, резанием, в других - является окончательной операцией, обеспечивающей необходимый комплекс показателей механических, физических и эксплуатационных свойств изделий или полуфабрикатов. Полуфабрикаты подвергают термической обработке для улучшения структуры, снижения твердости (улучшения обрабатываемости), а детали - для придания им определенных, требуемых свойств (твердости, износостойкости, прочности и других). В результате термической обработки свойства сплавов могут быть изменены в широких пределах. Возможность значительного повышения механических свойств после термической обработки по сравнению с исходным состоянием позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки позволяет применять сплавы более простых составов, а поэтому более дешевые. Сплавы приобретают также некоторые новые свойства, в связи с чем расширяется область их применения.

66. Виды термической обработки. Собственно термическая обработка включает следующие виды: -отжиг 1-го рода, -отжиг 2-го рода, -закалку без полиморфного превращения и с полиморфным превращением - старение - отпуск. Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на сплавы (нагрев и охлаждение) с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространённых в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений. Термическая обработка может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств (облегчения ковки, штамповки, прокатки), так и окончательной - для обеспечения в материале или изделиях требуемого комплекса свойств

Отжиг - термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

Закалка - это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понжается пластичность стали. Основные параметры при закалке - температура нагрева и скорость охлаждения. Критической скоростью закалки называется скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры - мартенсит или мартенсит и остаточный аустенит.

Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска - снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру.

67. Химико-термическая обработка металлов. Процесс химико-термической обработки является многоступенчатым, и включает в себя три последовательные стадии:

1. Образование активных атомов в насыщающей среде рядом с поверхностью или непосредственно на поверхности металла. Мощность диффузионного потока, то есть количество образующихся в единицу времени активных атомов, зависит от состава и агрегатного состояния насыщающей среды, которая может быть твердой, жидкой или газообразной, взаимодействия отдельных составляющих между собой, давления, температуры и химического состава стали.

2. Абсорбция образовавшихся активных атомов насыщаемой поверхностью. Адсорбция является сложным процессом, который протекает на поверхности насыщения нестационарным образом. Различают физическую (обратимую) адсорбцию и химическую адсорбцию (хемосорбцию). При химико-термической обработке эти типы адсорбции накладываются друг на друга. Физическая адсорбция приводит к сцеплению адсорбированных атомов насыщающего элемента (адсорбата) с образовываемой поверхностью (адсорбентом) благодаря действию Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения, и для нее характерна легкая обратимость процесса адсорбции — десорбция. При хемосорбции происходит взаимодействие между атомами адсорбата и адсорбента, которое по своему характеру и силе близко к химическому.

3. Диффузия — перемещение адсорбированных атомов в решетке обрабатываемого металла. Процесс диффузии возможен только при наличии растворимости диффундирующего элемента в обрабатываемом материале и достаточно высокой температуре, обеспечивающей энергию необходимую для протекания процесса. Толщина диффузионного слоя, а следовательно и толщина упрочненного слоя поверхности изделия, является наиболее важной характеристикой химико-термической обработки. Толщина слоя определяется рядом таких факторов, как температура насыщения, продолжительность процесса насыщения, состав стали, то есть содержание в ней тех или иных легирующих элементов, градиент концентраций насыщаемого элемента между поверхностью изделия и в глубине насыщаемого слоя.

68. Легирование стали. Состав. Маркировка.Легирование стали осуществляют введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав. Легирующие элементы, срод­ство к кислороду которых меньше, чем у железа (Ni, Со, Мо, Си), при плавке и разливке практически не окисляются, и поэтому их вводят в печь в любое время плавки (обычно вместе с оста­льной шихтой). Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду боль­ше, чем у железа (Si, Mn, Al, Сг, V, Ti и др.), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда непосредст­венно в ковш.

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Пример: 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, до 3 % Mo, до 1,0 % Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе: Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами (ШХ), после которых указывают содержания хрома в десятых долях процента; Быстрорежущие стали (сложнолегированые) обозначаются буквой (Р), следующая цифра обозначает содержание вольфрама в процентах;Автоматные стали обозначают буквой (А) и цифрой обозначают содержание углерода в сотых долях процента.