Модуль 1 ответы

химические соединения и механические смеси, состоящие из двух или нескольких фаз.

Твердыми растворами называют сплавы, в которых атомы растворимого компонента располагают в кристаллической решетке растворителя. При образовании твердого раствора растворителем называют тот металл, кристаллическая решетка которого сохраняется как основа. Если оба металла обладают одинаковыми по типу кристаллическими решетками и вследствие этого неограниченной взаимной растворимостью в твердом состоянии (образуют непрерывный ряд твердых растворов), то растворителем является тот из них, концентрация которого в сплаве превышает 50% (атомных).

Различают три вида твердых растворов: замещения, внедрения и вычитания. Твердый раствор замещения образуется при замене части атомов растворителя в его кристаллической решетке атомами растворимого компонента. Твердый раствор внедрения образуется при размещении атомов растворенного компонента в свободных промежутках между атомами кристаллической решетки растворителя. Твердые растворы вычитания встречаются сравнительно редко.

Химические соединения образуются при строго определенном количественном соотношении компонентов сплава и характеризуются кристаллической решеткой, отличной от решеток исходных компонентов. Химические соединения обладают характерными физико-механическими свойствами: высокой твердостью, повышенной хрупкостью, высоким электросопротивлением. Химические соединения в сплавах образуются между металлами и неметаллами.

Механические смеси образуются при одновременном выпадении из жидкого расплава (после охлаждения кристаллов) составляющих его компонентов (эвтектические смеси). В кристаллах, которые входят в состав механической смеси, сохраняется кристаллическая решетка исходных компонентов сплава. Механические смеси могут состоять из чистых компонентов, твердых растворов, химических соединений и т.д.

Теплоустойчивая сталь, отличия от жаростойких и жаропрочных сталей.

Теплоустойчивая сталь выдерживает длительное время нагрузки при высоких температурах нагрева (до 600°С) без изменения механических свойств и окисления.

В отличие от жаростойких и жаропрочных сталей, не обладают стойкостью против химическому разрушению. Жаростойкие и жаропрочные стали способны работать при температурах более 500°С.

Титан и его сплавы.

Титан немагнитен, имеет малую плотность, высокую температуру плавления и пластичность, высокую стойкость против коррозии в пресной и морской воде, а также во многих кислотах. По своим антикоррозионным свойствам титан превосходит цветные металлы (кроме благородных) и легированные стали. При взаимодействии с агрессивной средой на поверхности титана образуются нерастворимая пленка, которая защищает металл от коррозии.

Титан удовлетворительно обрабатывается давлением (ковкой, штамповкой, прессованием, прокаткой), резанием, сваривается электродуговой сваркой в атмосфере защитных газов (аргона или гелия), он обладает низкой электропроводностью, малочувствителен к хрупким разрушениям, при низких температурах сохраняет механические свойства при нагреве до 400°С.

Недостатки чистого титана – низкая прочность, высокая чувствительность к надрезу, воспламеняемость и взрывоопасность в пылеобразном состоянии. Пыль, образующаяся в процессе шлифования в воздухе, при определенной концентрации взрывоопасна.

Химическая активность титана при обычной температуре низкая, но с повышением температуры значительно возрастает и становится наивысшей при температуре плавления.

Впромышленности применяют технический титан марок ВТ1-00, ВТ1-1 и ВТ1- 2, содержащий от 0,1 до 0,74% примесей кислорода, азота, водорода, железа, кремния, никеля и др. Кислород, азот, углерод и водород – вредные примеси. Кислород и азот снижают пластичность, а при низких температурах вызывают хладноломкость титана. Углерод также способствует хладноломкости. Водород повышает чувствительность титана к надрезу и снижает сопротивляемость ударным нагрузкам. Примеси железа, кремния и никеля способствуют улучшению механических свойств титана.

При нагреве прочность титана понижается, а пластичность повышается. При температуре 450°С он теряет упругие свойства. При охлаждении прочность титана увеличивается, а пластичность понижается; он становится хрупким при температуре -196°С. При обработке заготовок давлением в холодном состоянии титан получает упрочнение (наклеп) и теряет пластичность. Наклеп снимают отжигом при температуре нагрева 600°С.

Восновном титан используют в качестве легирующего элемента и в виде сплавов на своей основе с другими элементами. Наиболее известны сплавы титана

салюминием, ванадием, молибденом, хромом, марганцем, железом, оловом,

танталом. Все они обладают более высокими свойствами, чем технически чистый титан, и широко применяются в промышленности.

Основные титановые сплавы содержат алюминий, который повышает жаропрочность, увеличивает прочность и ослабляет вредное влияние водорода. Железо увеличивает прочность титановых сплавов, но снижает их пластичность. Марганец, хром, ванадий и молибден способствуют повышению жаропрочности сплавов.

По прочности все титановые сплавы делят на три группы: низкой прочности (σв =300...700 МПа), средней прочности (σв=700... 1000 МПа) и высокой прочности (σв >1000 Мпа). По способу обработки титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.

Технологические свойства титановых сплавов удовлетворительные. Они подвергаются холодной и горячей обработке давлением, всем видам механической и тепловой резки, имеют хорошие литейные свойства, хорошо свариваются в среде инертных газов. Однако при сварке нужно защищать инертными газами не только шов в месте сварки, но и все участки, нагретые до температуры выше 500°С, для того чтобы исключить интенсивное поглощение титаном водорода и кислорода из воздуха.

Для изготовления полуфабрикатов предназначены титан и титановые сплавы, обрабатываемые давлением. В зависимости от химического состава стандарт предусматривает следующие их марки: ОТ4-0, ВТ5, ВТ5-1, ВТ22, ПТ-7М, ПТ-ЭВ и др. Титановые сплавы имеют большое значение для развития авиационной, космической, химической, медицинской, атомной и других отраслей промышленности. В судостроении титановые сплавы используют при изготовлении деталей и конструкций, работающих в морской воде, влажной атмосфере; агрессивных и кавитирующих средах (корпусов специальных судов, гребных винтов, труб и арматуры, насосов, некоторых судовых устройств, крыльевых устройств и т. д.). Однако из-за дефицитности и высокой стоимости (титановый сплав дороже легированной стали в несколько раз) их применение в настоящее время ограничено.

Уплотняющие материалы, прокладочные, набивочные, герметизирующие. Замазки.

Уплотняющие материалы делят на прокладочные, набивочные и герметизирующие составы. Они должны обладать достаточной упругостью для восприятия давления и устойчивостью против разъедающего действия

уплотняемой среды, а также стойкостью при изменении температуры. Уплотняющие материалы выбирают в зависимости от свойств уплотняемой среды и ее параметров (давления и температуры).

Прокладочные материалы применяют в судостроении в судоремонте для уплотнения соединений трубопроводов, крышек горловин и люков, иллюминаторов, водогазонепроницаемых дверей и т. п. Изделия, изготовленные из этих материалов называют прокладками. В качестве прокладочных материалов применяют: бумагу, картон, прессшпан, резину, фибру, клингерит, паронит, пластмассу, асбометаллическое полотно, металлы и др.

Бумага - листовой эластичный материал, изготовленный из растительных волокон. Плотную бумагу, например ватман, используют в качестве прокладок в соединениях трубопроводов, перекачивающих масло, керосин и нефть без давления при нормальной температуре.

Картон - толстая твердая бумага, используют в соединениях трубопроводов для перекачки нефти, мазута, масла и соляра при давлении до 0,6 МПа к температуре до 90°С.

Резину применяют для изготовления прокладок в чистом виде и с тканевой прослойкой, обыкновенной, маслостойкой и бензостойкой. Прокладки из резины устанавливают в соединениях трубопроводов воды, масла, бензина, нефти и других при давлении до 1 МПа и температуре до 150°С, а также используют в качестве прокладок крышек горловик и люков, иллюминаторов, водогазонепроницаемых дверей и т. п.

Прокладки из плотных тканей (парусины, холста, грубого полотна) перед установкой пропитывают замазкой из цинковых белил или суриковой. Их устанавливают в соединениях труб вентиляции, трюмного и балластного трубопроводов, а также при монтаже изделий непосредственно на опорные поверхности и палубных механизмов на деревянные прокладки.

Фибру - листы прессованной бумаги, обработанные хлористым цинком - применяют в соединениях трубопроводов, перекачивающих углекислоту, нефть, бензин, керосин и воздух с давлением до 6 МПа при температуре до 100 °С.

Клингерит - прорезиненный и вулканизированный асбестовый картон, предназначен для изготовления прокладок в соединениях водопроводов и паропроводов невысокого давления и температуры.

Паронит - смесь асбеста с каучуком. Выпускают паронит марки У (универсальный), после обработки не вулканизируется и марки УВ (универсальный вулканизированный), после обработки дополнительно вулканизируется. Вулканизированный паронит прочнее и обладает большей

теплостойкости. Прокладки из паронита устанавливают в соединениях трубопроводов воды, пара, воздуха, других масла, бензина, керосина, инертных газов, выхлопных газов и других сред при давлении до 7 МПа и температуре до

250°С.

Пластмассовые прокладки применяют в соединениях трубопроводов нефти, мазута, масла, воды и других сред при давлении до 2,5 МПа и температуре от -13

до + 60°С.

Асбометаллаческое полотно - асбестовое полотно с проложенной внутри и красно-медной или латунной проволокой, которая увеличивает прочность прокладки. Такие прокладки устанавливают в соединения трубопроводов, работающих при высоких давлениях и температуре.

Металлические прокладки изготовляют из меди, алюминия, стали и других металлов; применяют в качестве прокладок в соединениях трубопроводов, работающих при высоких давлениях и температурах. Медные прокладки ставят в соединениях трубопроводов пара, воды, нефти при давлении до 4,5 МПа и температуре до 350°С, алюминиевые прокладки - в соединениях трубопроводов пара, нефти и масла при давлении до 6 МПа и температуре до 430°С, свинцовые прокладки - в соединениях трубопроводов для перекачки агрессивных кислот при давлении до 5 МПа и температуре до 100°С, стальные прокладки - в соединениях трубопроводов пара и воды при давлении до 10 МПа и температуре до 480°С.

Набивочными называются материалы, применяемые для уплотнения вращающихся валов, подвижных штоков и тяг. В качестве набивочных материалов используют бумажные, пеньковые и другие шнуры круглого или квадратного сечения. Материал их выбирают в зависимости от вида, давления и температуры уплотняемой среды.

Бумажная сухая набивка служит для уплотнения сальником на трубопроводах пресной воды при давлении по 0,6 МПа и температуре до 60°С, бумажная пропитанная набивка - для уплотнения сальников на трубопроводах масла, морской воды, топлива и воздуха при давлении до 1,5 МПа и температуре до 60°С. Пеньковую набивку применяют в тех же случаях, что и бумажную пропитанную, но при давлении до 2,5 МПа и температуре до 60°С.

Асбестовая пропитанная набивка служит для уплотнения сальников на трубопроводах пара и горячей воды при давлении до 4 МПа и температуре до 300°С, асбестовая сухая прографиченная набивка - для уплотнения сальников на трубопроводах пара при давлении до 3,2 МПа и температуре до 40°С. Асбестовую проволочную набивку применяют, если уплотняемой средой являются выхлопные газы под давлением до 10 МПа и с температурой до 40°С.

Герметизирующие составы (герметики) предназначены для уплотнения заклепочных, болтовых, фитинговых, штуцерных и других соединений. В качестве герметизирующих применяют составы, обеспечивающие герметичность и непроницаемость соединений при их контакте с воздухом, газом, жидким топливом, маслами, водой и т. п. Они представляют собой тестообразные массы, приготовляемые из тиокола, вулканизирующей пасты и других элементов. После применения масса отверждается при обычной температуре. В судостроении распространены герметизирующие составы следующих марок: УТ-32; УТ-37; У- ЗОМ и др.

В судостроении и судоремонте для дополнительных уплотнений соединений применяют также различные замазки, из которых наиболее широко распространена замазка из цинковых белил и суриковая.

Суриковая замазка состоит из смеси свинцового сурика и свинцовых белил, взятых в равных пропорциях и размешанных в вареном масле. Она предназначена для дополнительных уплотнений соединений, не подверженных действию пламени и газов с высокой температурой. В замазке из цинковых белил свинцовый сурик заменен цинковыми белилами, Эта замазка высыхает меньше, чем суриковая, и соединения, выполненные на ней, разбираются легче.

Замазку приготовляют густую и жидкую. Первую используют в соединениях, которые редко разбираются (при установке горловин отсеков, при соединении фланцев в труднодоступных местах, при монтаже палубных механизмов на деревянных прокладках и т. п.). Жидкая замазка предназначена для пропитывания прокладок из парусины и картона. Для уплотнения трубных соединений с металлическими прокладками применяют специальную густую замазку, состоящую из свинцового глета (45 %), железных опилок (21 %), охры (17 %), мела (12%) и графита (5 %). Эти вещества тщательно перемешиваются в льняном масле.

Факторы, влияющие на выносливость металлов.

Опыты показывают, что на предел выносливости существенно влияют следующие факторы: концентрация напряжений, размеры поперечных сечений деталей, состояние поверхности, характер технологической обработки и др.

Физические и химические свойства металлов.

Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие

металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип > 1000°С) и легкоплавкие (Tкип < 1000°С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом. Металлы взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллические соединения. Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba) взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов. В окислительновосстановительной реакции металлы являются восстановителями – отдают валентные электроны и превращаются в катионы. Восстановительная способность металла — его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов. Так, чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем более сильные восстановительные свойства он проявляет. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода способны реагировать с кислотами.

Цветные металлы и их сплавы. Ценные свойства и недостатки.

Цветные металлы обладают следующими ценными свойствами: высокой электро- и теплопроводностью (золото, серебро, медь и алюминий); высокой коррозионной стойкостью (золото, серебро, платина, олово, свинец, медь, никель, титан); высокой пластичностью (медь, свинец, олово, алюминия, магний); низкой температурой плавления (ртуть, цезий, олово, свинец); высокой температурой плавления (вольфрам, тантал, молибден, ниобий); низкой плотностью (литий, магний, бериллий, алюминий и титан). Кроме того, они способны образовывать сплавы, обладающие более высокими свойствами, чем входящие в них элементы.

Недостатками цветных металлов является то, что они, за исключением алюминия, реже встречаются в природе, труднее добываются и дороже стоят, чем черные.

Чугуны. Влияние примесей.

По сравнению с углеродистой сталью чугун отличается более высоким содержанием углерода (С > 2,14%), лучшими литейными свойствами и худшими

пластическими свойствами. В чугуне, кроме углерода, содержатся постоянные примеси: кремний, марганец, сера и фосфор.

Углерод определяет структуру и свойства чугуна. В чугуне он может быть как

всвязанном с железом состоянии (цементит), так и в свободном (графит). Графит

вчугуне имеет разнообразную форму: пластинчатую, сфероидальную (шаровидную), хлопьевидную (углерод отжига). Выделение углерода в виде графита оказывает положительное влияние на литейные свойства чугуна. В частности, увеличение объема серого чугуна при затвердевании и охлаждении в интервале высоких температур вследствие образования графита приводит к уменьшению усадки в среднем до. 1 % и хорошему заполнению форм, что важно для получения качественного тонкостенного литья.

Кремний - графитообразующая примесь. Он образует с железом химические соединения (FeSi, Fe3Si2), так называемые силициды, которые переходят в твердый раствор с железом, и, не проявляясь в структуре в виде самостоятельны составляющих, понижа ют растворимость углерода в железе способствуют разложению цементита с выделением графита.

Графитизирующее действие кремния практически ограничивается 3,5 % его содержания в чугуне. При изменении содержания кремния в чугуне можно регулировать в нем соотношение между связанным углеродом и графитом. Чем больше в отливке кремния, тем больше выделение графита и тем он крупнее, а следовательно, меньше прочность такого чугуна, ниже твердость и лучше обрабатываемость. Увеличивая содержание кремния, даже при повышенной скорости охлаждения, можно получать структуру серого чугуна.

Кремний способствует некоторому снижению температуры плавления, уменьшению усадки, улучшению жидкотекучести и хорошей заполняемости форм.

Марганец оказывает влияние, противоположное кремнию. Повышение его содержания ускоряет охлаждение и вызывает отбеливание чугуна, т. е. он увеличивает количество цементита и способствует более мелким выделениям графита. Марганец увеличивает усадку и хрупкость чугуна, содержится в сером чугуне в пределах 0,5-1 °/о. Этот элемент способствует раскислению металла и улучшению его жидкотекучести.

Сера ухудшает качество чугуна: понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку., вызывает хрупкость (красноломкость) и склонность к образованию трещин. Поэтому содержание серы ограничивается пределами 0,08-0,12 °/о. Присутствие серы в чугуне задерживает разложение цементита, способствуя тем самым образованию структуры белого чугуна (отбеливании литья). При этом в

чугуне появляются твердите пятна, что затрудняет его обработку режущим инструментом и ухудшает механические свойства.

Фосфор почти не влияет на структуру чугуна, так как не ускоряет и не замедляет графитообразование. Твердость чугуна от присутствия фосфора в твердом растворе повышается, а вязкость значительно понижается. Следовательно, фосфор ухудшает механические свойства чугуна, однако улучшает литейные свойства: понижает температуру плавления, увеличивает жидкотекучесть и способствует хорошему заполнению формы. Поэтому чугун с повышенным содержанием фосфора (1-1,25 %) применяется для отливки художественных и очень тонкостенных изделий (например, статуи, решетки, мелкая арматура и т. п.). В обычном литье содержится 0,1-0,9 % Р; высококачественное литье должно содержать не более 0,4 °/о Р.

Быстрорежущие и инструментальные углеродистые стали. Область применения.

Сталь марок У7, У7А, У8, У8А, У8Г и У8ГА применяют для изготовления инструментов, подвергающихся ударными нагрузкам: зубил, крейцмейселей, кернеров, молотков, отверток, пробойников, ножниц по металлу, пуансонов, матриц и т.п. Сталь марок У9, У9А, У10 и У10А предназначена для изготовления инструментов, не подвергающихся сильным толчка и ударам, но требующих высокой твердости: строгальных резцов, калибров, фасонных штампов, разверток, столярного инструмента и т. д. Из стали марок У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А делают особо твердые инструменты, работающие при определенной нагрузке или без нагрузки: напильники, шаберы, метчик, фрезы, волочильный инструмент и т. п.

Сталь марок Р18 и Р12 служит для изготовления всех видов режущего инструмента, применяемого при обработке конструкционных материалов. Сталь марки Р12 по режущим свойствам почти не уступает стаи марки Р18, а по износостойкости превосходит ее. Сталь марки Р9 используют для изготовления инструмента простой формы, применяемого при обработке конструкционных материалов, а сталь марки Р6М3 - для изготовления инструмента небольших сечений, работающего с ударными нагрузками. Сталь марки Р6М5 применяют для изготовления всех видов инструмента и в том числе резьбонарезного, работающего с ударными нагрузками.

Из стали марок Р18Ф2 изготовляют инструмент, применяемый при обработке материалов повышенной твердости и вязкости, из стали марок Р14Ф4 и Р9Ф5 - инструмент, работающий со снятием небольшой стружки.

Сталь марок Р18К5Ф2, Р9М4К8, Р10К5Ф5 и Р6М5К5 применяют для изготовления инструмента, предназначенного для обработки высокопрочных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов. Сталь марок Р9К5 и Р9К10 используют для изготовления инструмента, предназначенного для обработки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, а также сталей повышенной твердости и вязкости.

Сущность термообработки металлов.

Термической обработкой называется процесс нагрева, выдержки и охлаждения полуфабрикатов или изделий из металлов для придания им определенных механических, физических, химических и технологических свойств. Химический состав сплавов при этом не изменяется.

Измеряя скорость охлаждения сплава, нагретого до определенной температуры, можно получить различные структуры и свойства, т.е. произвести различную термообработку.

Термическая обработка широко применяется в промышленности и имеет различное назначение. Полуфабрикаты (поковки и отливки) подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений и улучшения обрабатываемости, готовые изделия – для повышения твердости, износостойкости, прочности, упругости и т. д.

В зависимости от температуры нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения термическая обработка делится на следующие операции: отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Эти операции являются общими для черных и цветных металлов.

Качество термической обработки в значительной степени зависит от нагрева, выдержки и охлаждения. Нагрев должен вестись так, чтобы изделие прогревалось равномерно, а температура была постоянной. При этом нельзя допустить перегрева, коробления и трещин. Температура нагрева зависит от химического состава деталей и вида термической обработки, а скорость - от химического состава, формы и сечения деталей. Чем выше содержание углерода, больше сечение и сложнее форма деталей, тем медленнее нагревается деталь. Выдержка изделий при температуре нагрева способствует нагреву деталей по сечению и завершает структурные и фазовые превращения в них. Продолжительность выдержки зависит от температуры нагрева и сечения детали. Чем выше температура, тем меньше выдержка.