4. Классификация материалов.

В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы - алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе.

Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы.

Композиционными материалы - сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы - стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу

изготовления.

Технические материалы принято классифицировать по назначению:

Конструкционные, инструментальные, электротехнические, теплоизоляционные, и материалы с особыми свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные и др.)

Мировой объем производства основных материалов.Элементы, преимущественно металлические, находятся в Земной коре в виде окислов, нитридов, гидридов и гидратов, хлоридов и т.п., для превращения минерального сырья в полуфабрикаты необходимы значительные затраты энергии и дополнительных видов минералов и веществ. Наименьшими потерями среди технических материалов обладает производство стали и чугуна, что положительно сказывается на их относительной стоимости.

Мировой объем производства основных материалов следующий: стали = 700 мл. тон,

конструкционного чугуна = 46 мл.тонн,

пластических масс = 100 мл. тон.,

конструкционных стекла и керамики = 180 мл.тон.

Среди металлических материалов мировой объем производства следующий:

Алюминий = 12.2,

Медь = 7.3,

Цинк = 4.68,

Свинец =3.77,

Никель = 0.52 (мл.тонн.).

Наибольшие темпы роста производства у композиционных и порошковых материалов.

5.Роль металлов в энергетике.

Благодаря повышению параметров и мощности машин и оборудования резко возрастает их эффективность и экономичность. При росте температуры газа на входе в газовую турбину на каждые 50 С КПД ее увеличивается на 2 – 3 %. Это уменьшает размеры и вес установки, сокращает расход металла. Так при мощности турбины 10 МВт на каждый киловатт приходится 10 кг металла, а в 25 МВт – только 6 кг, т. е. достигается экономия в 40 %. Снижается и удельный расход топлива. Поэтому конструкторы стремятся повышать температуру пара газов перед турбиной. Для этого необходимы жаропрочные материалы, способные выдерживать температуры 1000 С и выше. В настоящее время созданы специальные жаропрочные материалы на никель-кобальтовой основе, а также сплавы, содержащие в своем составе вольфрам или рений. Сплав тантала с вольфрамом (8 %) и гафнием (2 %) сохраняет высокую прочность при температурах до 2000 С и не становится хрупким при охлаждении до абсолютного нуля. В то же время он хорошо обрабатывается и сваривается.

Основу энергетической промышленности составляют тепловые электростанции. На них создаются энергоблоки мощностью 300 и 800 МВт с котлами паропроизводительностью 950 и 2500 т/ч соответственно.

Очевидной тенденцией развития теплоэнергетики является непрерывный рост давления и температуры пара. В 1913 году среднее давление пара для вводимых установок было 1,0 -1,5 МПа, 1940 г. – 5 -6 МПа, 1950 г – 10 -11 МПа, а в настоящее время достигает 30 МПа. Обычная температура пара в эти годы доходила до 300 - 500 С соответственно. Ныне же она имеет значения порядка 560 С. В опытной эксплуатации находится энергоблок со сверхкритическими параметрами, блок СКР 100 (Р = 300 атм, t = 650 С). Все этапы повышения параметров пара и эффективности энергоблоков были обусловлены созданием котлов и турбин из более жаропрочных сплавов, сначала качественных углеродистых, хромистых, хромомолибденовых, а затем хромомолибденовых и высоколегированных сталей.

Значительные колебания температуры при резких переходных режимах использования металлов приводят к возникновению в них температурных напряжений, к сокращению ресурса металлических поверхностей нагрева, коллекторов, паропроводов, арматуры, валов, дисков и лопаток турбин.

Атомная энергетика заняла значительное место в общем энергетическом балансе развитых стран. Металлы и их сплавы являются основными конструкционными материалами ядерных реакторов и оборудования тепловых частей АЭС. Конструкционные материалы должны обеспечивать требуемый уровень механической прочности, общую компановку и физико-химическую защиту основного оборудования и всей АЭС от коррозии и радиационного загрязнения. В тепловых трубках АЭС в качестве теплоносителей при 400 – 1500 С применяются такие металлы, как натрий, рубидий и цезий, при более высоких температурах t = 1500 – 2300 С – литий, галлий, свинец, индий и серебро.

В нашей стране производится около 1500 миллиардов киловатт часов электроэнергии в год. Для доставки ее потребителю необходима мощная электрическая сеть, где в качестве проводников применяют медь и алюминий. Медь в 2 раза лучше проводит электрический ток, чем алюминий, но она в 3,3 раза тяжелее его. Масса алюминиевого провода вдвое меньше медного и втрое дешевле (при равной электропроводности). Медь является и более дефицитным металлом. Поэтому в настоящее время около 85 % всех силовых кабелей имеют токопроводящие жилы из алюминия. В электротехнике все же пока главным электропроводниковым металлом остается медь (обмотка электрических машин).

Вопросы для самостоятельной работы. Хронология применения металлов. Диффузия атомов в металлах.Основные положения процесса кристаллизации металлов и сплавов, их влияния на свойства металлов. Литература: Материаловедение. (Под общей ред. Б.Н. Арзамасова и Г.Г. Мухина) 3-е изд. переработанное и дополненное. М: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002.

Контрольные вопросы к лекции №1

1. Чем определяются свойства материала?

2. Какую роль играют металлы в энергетике?

3. Каковы общие требования, предъявляемые к материалам?

4. Что такое материал?

5. Что является предметом материаловедения?

6. Как влияет состав материала на его свойства?

7. Как влияет тип химической связи элементов структуры материала на его свойства?

7