Металлические и неметаллические материалы и их применение

Металлические и неметаллические материалы и их применение

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Металлические строительные материалы и изделия, из которых наибольшее применение получили стали и чугуны, широко используются в городском хозяйстве. Использованию металла в городском хозяйстве способствует ряд его ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, повышенная электропроводность и т. д. Наряду с металлическими материалами большое распространение получили и неметаллические материалы. Они являются не только заменителями металлов, но и применяются как самостоятельные материалы. Неметаллические материалы обладают высокой механической прочностью, легкостью, термической и химической стойкостью и т. д. Применение неметаллических материалов обеспечивает значительную экономическую эффективность.

Чтобы здание и сооружения имели оптимальные технические и экономические показатели инженеры-экономисты должны располагать широкими знаниями в области номенклатуры металлических и неметаллических материалов, их важнейших свойств, оптимальных условий их применения. Поэтому особое место в подготовке инженеров экономических специальностей отводится курсу "Материаловедение".

Основные задачи курса: изучение технологических методов обработки металлических и неметаллических материалов, их технико-экономических показателей и областей применения в городском хозяйстве.

ПРОГРАММА КУРСА

ВВЕДЕНИЕ

Значение применения металлов и сплавов в городском хозяйстве. Понятие о металлических и неметаллических материалах. Способы их изготовления и области применения. Основные направления технического прогресса в технологиях производства,обработки и использования указанных материалов. Важнейшие факторы, определяющие материалоемкость конструкций и пути снижения материалоемкости. Классификация и стандартизация конструкционных материалов, методы контроля и оценки их качества. Экономическая эффективность применения различных конструкционных материалов и методов повышения их долговечности.

Раздел I. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Теория сплавов. Металлические состояние и кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка и её дефекты. Монокристалл и поликристалл. Кристаллизация. Полиморфизм и анизотропия металлов. Фазы в металлических сплавах: твердые растворы и соединения. Двойные системы.

Раздел II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Пластическая деформация металлов. Напряжения и деформация. Явление наклепа. Структура и механические свойства металла после холодной деформации. Стандартные характеристики механических свойств металлов: прочность, твердость, пластичность, вязкость, усталость, ползучесть. Хрупкое и вязкое разрушение, конструктивная прочность металлов и методы её определения. Основные параметры, определяющих надежность и долговечности металлов.

Раздел III. ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Железо и его сплавы. Диаграммы состояния железо-углерод и железо-цементит. Стали и чугуны. Фазы и структурные составляющие в сталях и чугунах. Основные классификации и маркировки углеродистых сталей их назначение, сортамент и стоимость.

Чугуны (серые, ковкие, высокопрочные, белые). Структура, методы получения, маркировка и области применения.

Раздел IV.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Превращения в стали при нагреве и охлаждении. Виды термической обработки (отжиг I и II рода, закалка и отпуск). Выбор режима отжига I рода, его основные, параметры и разновидности. Отжиг II рода, его назначение и разновидности. Закалка стали. Закаливаемость и прокаливаемость. Виды закалки. Механические свойства закаленной стали. Виды отпуска. Влияние отпуска на механические свойства стали. Старение закаленных сталей. Химико-термическая обработка. Способы совмещения обработки давлением и термической обработки. Контролируемая прокатка. Термомеханическая обработка, управление структурой при охлаждении. Термическая обработка проката и её влияние на технологические и эксплуатационные свойства. Технико-экономические показатели. Экономическая эффективность термической обработки проката. Структура себестоимости термической обработки.

Раздел V. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Назначение, классификация и маркировка легированных сталей и сплавов. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства. Экономическое обоснование применения легированной стали. Стандарты и технические условия. Нормируемые показатели качества. Общие принципы выбора стали. Цены стали в зависимости от состава сортамента и технологии обработки. Легирование как народнохозяйственная проблема.

Раздел VI. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Алюминий и его сплавы. Классификация алюминиевых сплавов и термическая обработка. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Литые алюминиевые сплавы.

Медь и сплавы. Основные группы медных сплавов и их классификация. Область применения медных сплавов в строительстве, их технико-экономические показатели. Биметаллы и плакированные материалы. Коррозия металлов и методы борьбы с ней. Технико-экономическое обоснование применения металлических материалов в городском хозяйстве.

Раздел VII. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Классификация пластмасс по физико-механическим свойствам, структуре и отношению к нагреванию. Термопластичные и термореактивные пластмассы. Экономическая эффективность применение пластмасс.

Композиционные материалы (карбоволокниты, бороволокниты, органоволокниты и металлы, армированные волокнами).

Раздел VIII. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ В СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ. МАТЕРИАЛОСБЕРЕГАЮЩИЕ И БЕЗОТХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Понятие об экономической эффективности применения материала в строительных конструкциях. Влияние выбора марки материала на технико-экономические показатели эксплуатации готовых изделий. Надежность и техническое совершенство -- важнейшие составляющие качества изделий.

Важнейшие пути снижения материалоемкости машин и конструкций (совершенствование методов расчета и проектирования; улучшение методов контроля и оценки качества материалов; использование рациональных видов сортамента; повышение физико-механических свойств микролегированием ? термоупрочнением; применение защитных покрытий и т. д.).

Пути снижения материалоемкости конструкций на основе использования новых металлических материалов -- аморфных микрокристаллический, превышающих показатели традиционных металлов по прочности примерно в 10 раз. Основные виды пластмассовых строительных материалов, их свойства и значение для строительства.

Методика расчета годового экономического эффекта от применения новых марок материалов и прогрессивных технологий их изготовления и обработки.

Раздел IX. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

Общая характеристика методов обработки металлов давлением. Определение обработка давлением как метод малоотходной технологии получения высококачественных строительных профилей. Классификация видов обработки металлов давлением, область их применения, эффективность методов обработки давлением.

Физические основы обработки давлением. Определение степени пластической деформации и сопротивление деформации. Влияние основных факторов на пластичность. Холодная и горячая обработка давлением. Нагрев заготовки перед обработкой давлением, типы нагревательных устройств.

Экологические проблемы при обработке металлов давлением.

Получение строительных профилей и листа. Определение понятия профиля и сортамента. Экономичные профили проката. Способы получения строительных профилей.

Прокатка. Сущность процесса прокатки. Схема деформирования металла. Количественные показатели деформации. Силовые и скоростные условия прокатки. Продукция прокатного производства. Технология прокатки сортовых профилей и листа. Прокатка бесшовных и сварных труб. Технико-экономические показатели прокатки. Себестоимость готовой продукции в зависимости от конфигурации профиля, размеров, химического состава прокатываемой стали и других показателей. Производство гнутых профилей.

Прессование. Сущность процесса прессования. Напряженное состояние; особенности течения металла и количественные показатели деформации при прессование. Сортамент прессованных изделий. Технико-экономические показатели. Эффективность и область применения прессованных изделий в строительстве.

Производство гнутых профилей. Схема производства и характеристика гнутых профилей. Экономичность применения гнутых профилей в строительстве. Техника безопасности и охрана труда.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАЗДЕЛАМ КУРСА

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Создание и безопасная эксплуатация в городском хозяйстве сложного оборудования, каким оснащены санитарно-гигиенические и энергетические предприятия, мусоросжигательные заводы, внутригородской транспорт и другие объекты немыслимы без знания основ материаловедения.

Материаловедение-это наука о связях между составом, строением и свойствами металлов и сплавов,а также о закономерностях изменения основных физики-механических характеристик материалов под влиянием внешних воздействий (механических нагружений, температуры, среды). При изучении курса материаловедения студенты экономических специальностей должны научиться правильно оценивать выбор материалов с учетом их службы в реальных конструкциях машин и оборудования городского хозяйства. Решение этой задачи требует обязательного знания и всестороннего учета всех факторов, оказывающих влияние на эффективность применяемых материалов. Эффективность применения конструкционного материала -- это понятие о приспособленности данного вида материала к эксплуатации в заданных условиях при наименьшей стоимости конструкции, нормально функционирующей в течение заданного промежутка времени (технического ресурса).

В условиях рыночной экономики стоимостные показатели в общих критериях оценки эффективности материала приобретают особую актуальность. Поэтому при изучении курса необходимо особое внимание уделить эксплуатационной эффективности конструкций с использование экономических критериев и показателей. Для выбора строительных материалов следует усвоить материаловедческие основы курса.

Теория сплавов. При изучении этого раздела рассмотрите основные виды межатомной связи в твердых телах, выделив особый тип металлической связи. Уясните вопрос о кристаллическом строение металлов. Проанализируйте основные виды несовершенств (дефектов) материалов на уровне кристаллической решетки (вакансии, дислокации и т. д.). Сравните понятия теоретическая и реальная прочности кристаллов. Усвойте закономерности влияния качества дефектов на уровне механических свойств.

Обратите внимание на основные положения теории сплавов:твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь. Разберитесь в диаграммах состояния двойных сплавов, дающих представление о состоянии сплавов в зависимости от его состава и температуры.

Вопросы для самопроверки.

1.В чем сущность металлического типа связи?

2. Каковы свойства металлов и чем они определяются?

3. Перечислите типы кристаллических решеток.

4. Что такое элементарная ячейка?

5. Что такое полиморфизм?

6. Что такое параметр кристаллической решетки, плотность упаковки и координационное число?

7. Перечислите типы кристаллических дефектов.

8. Что такое анизотропия свойств кристаллов?

9. В чем заключается физическая сущность процесса кристаллизации?

10. В чем физическая сущность процесса плавления?

11. Что такое переохлаждение?

12.Какова связь между величиной зерна, скоростью зарождения, скоростью роста кристаллов и степенью переохлаждения?

Раздел II. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Рассмотрите природу деформирования и разрушения. Уясните, каким образом пластическая деформация влияет на структуру и свойства металлов. Разберитесь в сущности явления наклепа и его практическом применении. Изучите основные методы исследования механических свойств металлов. Обратите особое внимание на понятие «конструктивная прочность» и на методы её определения. Критерии, определяющие надежность металла против внезапных хрупких разрушений и критерии, определяющие долговечность металла (усталостная прочность, износостойкость и т. д.). Уясните, что в целом прочность конструкции определяется не только свойствами металлов, но и характером конструкции, технологией её изготовления и условиями её эксплуатации. Обратите внимание на пути повышения прочности металлов.

Вопросы для самопроверки.

1.В чем сущность явления наклепа и его практическое применение?

2.Что такая упругая и пластическая деформация?

3. Какие характеристики механических свойств определяются при испытании на растяжение?

4. Что такое твердость? Какие методы определения твердости вы знаете?

5. Как влияют температура и скорость нагружения на характер разрушения?

6. Что такое ударная вязкость?

7. Что такое порог хладноломкости?

8. Что такое надежность и долговечность металла, и критерии их оценки?

Раздел III ЖЕЛЕЗО И ЕГО СПЛАВЫ

Изучите диаграмму состояния железо-цементит и определите все фазы и структурные составляющие этой системы. Разберитесь в классификации железо-углеродистых сплавов. Четко усвойте понятия сталь и чугун. Изучите классификацию технических железо-углеродистых сплавов. Обратите особое внимание на классификацию и маркировку углеродистых сталей; их назначение, сортамент и стоимость. Уясните внимание постоянных примесей в углеродистой стали и её механические свойства и стоимость. Обратите внимание на характеристику качественной стали. Рассмотрите основные превращения, протекающие в сталях при нагреве и охлаждении. Уясните различия в строение и свойствах перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита. Изучите влияние постоянных примесей на строение чугуна. Запомните основные механические свойства и назначение чугунов различных классов и их маркировку. Обратите внимание на способы получения ковких и высокопрочных чугунов. Изучите физическую сущность процесса графитизации. Обратите особое внимание на эффективность применения сталей различных классов в строительстве.

Рисунок 1.Диаграмма состояния (фазового равновесия) железо-цементит(Fe-Fe3C)

Рисунок 2. Разбор процессов кристаллизации и структурообразования типовых сплавов железо-углерод: «а»-кривые охлаждения и структуры сталей;«б»-диаграмма состояния Fe-Fe3C; «в»-кривые охлаждения и структуры белых чугунов(схемы)

Вопросы для самопроверки.

1. Какие фазы устойчивы в области SECFK?

2. Какие фазы устойчивы в области GPSKL?

3.Какие фазы существуют у сплава I при t=727°C и что происходит при этой температуре? (рис.2)

4. Что происходит в сплаве V при температуре равной 727°C в точке 2?Какие фазы в этом сплаве при температурах ниже 727°C ? (рис.2)

5. Из каких структурных состовляющих,из каких фаз и какого состава состоит структура сплава IV после окончания кристаллизации(точка 2 на кривой охлаждения) ? (рис.2)

6. Что происходит со сплавом IV при охлаждении от точки 2 до точки 3? (рис.2)

7.Как определить и чем является кристаллизующая фаза этого сплава в интервале температур 1-2 ?(рис.2)

8.На диаграмме Fe-Fe3C в структкрах сплавов,имеющих C>2,14%,имеется ледебурит. Вчем различие ледебурита при температурах выше 727°C и ниже 727°C ?

9. Что такое феррит,аустенит, перлит, цементит и ледебурит?

10.Какие превращения происходят в сплавах при температурах А1, А2, А3, А4, А ст.?

11.Построить с помощью правила фаз кривую охлаждения для стали с 0,8 % С и для чугуна 4,3 %С.

12.Каковы структура и свойства технического железа, стали и белого чугуна?

13.Какие постоянные примеси присутствуют в стали? Их влияние на свойства и стоимость стали.

14.Какими критериями определяется качественность стали?

15.Объясните строение перлита, сорбита, троостита, бейнита и мартенсита.

16.Укажите классификацию чугунов.

17.Изложите технологию получения ковких и высокопрочных чугунов.

18.В чем отличие серого чугуна от белого?

19.Какова структура серых, ковких и высокопрочных чугунов? Сравните их механические свойства.

Раздел IV ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

Термическая обработка- один из основных способов влияния на строение, а следовательно, и на свойства сплавов. Уясните влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали и рассмотрите основные виды и физическую сущность процессов термической обработки (отжиг, нормализация, закалка, отпуск.). Разберитесь в причинах брака при термической обработке вследствие образования недопустимо высоких термических и фазовых напряжений. Уясните разницу между закаливаемостью и прокаливаемостью стали, а также факторы, влияющие на эти характеристики. Разберитесь в способе получения высокопрочных деталей-термомеханической обработке. Обратите внимание на получение стальных изделий методом контролируемой прокатки, когда строго контролируется величина деформации и температура прокатываемой стали. Разберитесь в видах и способах термической обработки проката с прокатного нагрева и её влиянии на технологические и эксплуатационные свойства стали. Технико-экономические показатели применения термической обработки с прокатного нагрева. Уясните структуру себестоимости термической обработки.

Вопросы для самопроверки.

1.Каковы механизмы и температурные районы образования структур перлитного типа (перлита, сорбита, троостита) и бейнита?

2.В чем различие между перлитом, сорбитом и трооститом?

3.Что такое мартенсит и в чем сущность и особенности мартенситного превращения?

4.Что такое критическая скорость закалки?

5.Что описывает мартенситная кривая?

6.От чего зависит количество остаточного аустенита?

7.В чем сущность превращений, происходящих при отпуске?

8.Чем отличаются структуры троостита, сорбита и перлита отпуска и от одноименных структур, образующихся при распаде переохлажденного аустенита?

9.Приведите определение основных процессов термической обработки: отжиг, нормализация и закалка.

10.Какие вам известны разновидности процесса отжига и для чего они применяются?

11.Какова природа фазовых и термических напряжений?

12.Какие вам известны разновидности закалки, и в каких случаях они применяются?

13.Какие виды и причины брака при закалке?

14. От чего зависит прокаливаемость стали и в чем её технологическое значение?

15. Какие вам известны технологические приемы уменьшения деформации при термической обработке?

16. В чем сущность и особенности термомеханической обработки?

17. Как влияет поверхностная закалка на эксплуатационные характеристики изделия?

18.Какая структура образуется по сечению образца из эвтектоидной стали,если скорость охлаждения по сечению изменилась от V4 на поветхности до V1 в центре?(рис.3)

Рисунок 3. Диаграмма изотермического распада аустенита (V1<V2<V3<Vк<V4)

Раздел V. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

При изучении этого раздела обратите особое внимание на классификацию, стоимость и области применения сталей самых различных марок. Если углеродистые стали по стоимости самые дешевые, то с увеличением качества и количества легирующих добавок стоимость стали возрастает. Поэтому следует уяснить, что применение более дорогих марок стали должно быть экономически оправдано. Следует помнить, что экономическая эффективность применения тех или иных марок стали включает в себя не только стоимость стали, но и стоимость термической обработки, стоимость изготовления проката и т. д. Так, наиболее дешевыми сталями, получившими довольно широкое применение в строительстве, являются стали обыкновенного качества,поставляемые по механическим свойствам (группа А).

Строительные стали применяются в конструкциях мостов, опор, матч, транспортных галерей, подкрановых балок, мостовых кранов, шпунтовых свай, для армирования железобетонных конструкций и других изделий. Строительные стали подразделяются по степени раскисления на спокойную часть стали (сп.), полуспокойную (пс.) и кипящую (кп.).

Основные свойства строительных низкоуглеродистых, низколегированных сталей, а также назначение конструкционных сталей, чугунов, цветных сплавов и пластмасс даны в приложении.

Стоимость этих сталей в основном определяются видом полуфабриката. В свою очередь, стали группы В поставляются с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Эти стали применяются в тех случаях, когда сталь нужно подвергать термической обработке или сварке. Поэтому стоимость этих марок сталей несколько выше. Качественная углеродистая сталь имеет более высокую стоимость, так как выплавка этой стали более ответственна. Стоимость легированной стали зависит от химического состава, типа полуфабриката и его размеров. Так низколегированные стали, содержащие небольшое количество недефицитных и недорогих легирующих элементов (марганец, кремний), стоят относительно недорого. Стали, содержащие дорогие элементы (никель, хром, ванадий и т. д.),имеют более высокую цену.

Уясните назначение, классификацию и маркировку легированных сталей, а также влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали. Обратите внимание на показатели, от которых зависит стандартизация легированной стали. При применении более дорогих легированных марок стали в строительстве следует представить экономическое обоснование. Изучите, из каких показателей слагается экономическое обоснование. Уясните, что применение легированной стали в строительстве является серьёзной народнохозяйственной проблемой. Из за дефицита некоторых легирующих элементов возникают сложности выплавки и обработки стали.

Вопросы для самопроверки.

1.Из чего складывается стоимость углеродистых марок стали обыкновенного качества и высококачественных?

2.Изложите основной принципы маркировки легированных сталей?

3.Как классифицируются легированные стали по структуре?

4.Что такое низколегированная сталь?

5.Укажите основные области применения легированных сталей в строительстве.

6.Из каких показателей складывается стоимость легированной стали?

7.В чем заключается экономическое обоснование применения легированных сталей?

8.Изложите основные достоинства и недостатки легированной стали по сравнению с углеродистой.

9.Почему применение легированной стали в строительстве является серьёзной народнохозяйственной проблемой?

Раздел VI. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Алюминий и его сплавы. Алюминиевые сплавы широко используют для изготовления проката в виде разнообразных профилей, применяемых в строительной индустрии. Поэтому ознакомьтесь с основными физико-химическими свойствами алюминия, с классификацией алюминиевых сплавов. Изучите технологию термической обработки алюминиевых сплавов. Обратите внимание, на то что закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве сплавов до температуры, при которой интерметаллидные фазы растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры. После закалки следует старение. Ознакомьтесь с видами старения и процессами, происходящими в сплаве во время старения и процессами, происходящими в сплаве во время старения. Обратите внимание на то, что алюминиевые сплавы подразделяются на литые и деформируемые, последние в свою очередь подразделяются на упрочняемые термической обработкой и неупрочняемые.

Страницы: 1, 2