Введение

Материаловедение и технология конструкционных материалов (ТКМ) относятся к числу основополагающих учебных дисциплин отраслевой (общетехнической) подготовки инженерных специальностей. Это обусловлено тем, что современный уровень производства во многом определяется применением новых экономичных и технологичных материалов, что в конечном итоге определяет научно-технический и экономический потенциал страны.

Цели изучения данной дисциплины:

- познание природы машиностроительных и конструкционных материалов, изучение их свойств в зависимости от химического состава, структуры и последующей обработки;

- ознакомление с традиционными и новыми технологическими процессами получения металлических и неметаллических материалов, а также технологиями получения заготовок и готовых изделий, в том числе с последующим восстановлением и ремонтом.

Задачами изучения дисциплины являются:

- ознакомление с современными конструкционными материалами машиностроения, их наиболее характерными свойствами и классификацией;

- изучение физико-химических основ и технологии процессов производства конструкционных материалов;

- ознакомление с основными способами получения заготовок и изделий из конструкционных материалов;

- формирование умения выбора вида заготовки или полуфабриката, рационального способа их получения, исходя из формы конечного изделия, его назначения и условий эксплуатации.

Технология конструкционных материалов включает четыре основных вида:

1 – металлургическое производство, предназначенное для получения металла заданного состава;

2 – технология получения металлических заготовок (литейное производство, обработка металлов давлением, сварочное производство);

3 – механическая обработка для получения из заготовок изделий заданных размеров и внешней формы;

4 – термическая обработка, предназначенная для получения заданных свойств металлов и сплавов (прочности, износостойкости и т.п.).

Многие конструкции и детали машиностроения выполняют из неметаллических и композиционных материалов. Прежде всего, это железобетонные плиты для строительства зданий, в которых бетон (неметаллический материал) армирован стальными прутками для придания конструкции максимальной прочности. Технология изготовления таких конструкций имеет свои особенности, которые рассматривает данная дисциплина.

Раздел первый Основы металлургического производства

1 Сущность и способы металлургического производства

Металлургия– это наука о промышленных способах получения металлов и их сплавов из природного сырья. Современное металлургическое производство представляет собой сложный комплекс различных предприятий, базирующийся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических мощностях. Оно включает в себя следующие предприятия:

1 – шахты, карьеры по добыче руд и каменных углей;

2 – горно-обогатительные комбинаты, где подготавливают руды к плавке (обогащают);

3 – коксохимические заводы или цехи, где готовят угли, коксуют их и извлекают полезные химические продукты;

4 – энергетические цехи для получения сжатого воздуха, кислорода, очистки газов металлургических производств;

5 – доменные цеха для выплавки чугуна и ферросплавов;

6 – заводы для производства ферросплавов;

7 – сталеплавильные цехи (конверторные, мартеновские, электросталеплавильные);

8 – прокатные цехи, где слитки перерабатывают в сортовой прокат (балки, рельсы, проволоку, лист и т.д.).

Основа современной черной металлургии – двухступенчатая схема, включающая доменную выплавку чугуна и передела его в сталь. При доменной плавке происходит избирательное восстановление железа из руды, а также восстановление фосфора, марганца и кремния, науглероживание железа и частичное насыщение его серой, т.е. образуется чугун – сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, серой и фосфором. Передел чугуна в сталь производят в конверторах, мартеновских и электрических печах. При этом происходит избирательное окисление примесей чугуна, которые переходят в шлак и газы.

Основной продукцией металлургического производства являются следующие продукты:

1) чугун передельныйдля производства сталей,чугун литейныйдля производства отливок, железорудныеметаллизованные окатышидля выплавки стали,ферросплавы(сплавы железа с Mn, Si, V, Ti и др.), предназначенные для выплавки легированных сталей,стальные слиткидля производства сортового проката и стальные слитки для крупных поковок вчерной металлургии;

2) слитки цветных металловдля сортового проката, слитки для производства отливок,лигатуры– сплавы цветных металлов с легирующими элементами, необходимые для производства сложных легированных сплавов для отливок, слитки чистых и особо чистых цветных металлов для нужд электротехники и электроники вцветной металлургии.

В черной и цветной металлургии для получения металлических материалов в зависимости от вида используемой энергии выделяют следующие процессы:

1. Пирометаллургический процессоснован на том, что энергия или тепло, необходимое для выплавки, получают за счет сжигания жидкого, твердого или газообразного топлива.

2. Электрометаллургический процесс основан на том, что тепло для выплавки получают в дуговых, индукционных и других электропечах.

3. Гидрометаллургический процессоснован на получении металлов из руд путем выщелачивания и последующего выделения металлов из раствора без нагревания до высоких температур.

4. Химикометаллургический процессоснован на получении металлов в результате последовательно протекающих химических реакций и металлургических взаимодействий.