Способы получения материалов с заданным комплексом свойств

ВВЕДЕНИЕ. Получение материалов с заданным комплексом свойств, технологии обработки материалов являются основой современного производства

Получение материалов с заданным комплексом свойств, технологии обработки материалов являются основой современного производства, и уровнем своего развития во многом определяют научно-технический и экономический потенциал страны. Никакие эффективные экономические или управленческие решения в любых масштабах, начиная от цеха и заканчивая отраслью, невозможны без знания основ материаловедения. Именно поэтому дисциплина «Материаловедение и технология конструкционных материалов» включена в учебные планы всех специальностей, которые связаны с техникой и промышленностью.

Процесс создания новых машин и конструкций обычно состоит из трех крупных этапов: 1) разработка конструкции от принципиальной схемы до деталировки; 2) выбор материалов; 3) разработка технологии изготовления деталей, и всей машины в целом. В настоящее время разработка принципиально новых материалов производится редко и, в основном, для авиационно-космической техники. Как правило, поступают иначе: выбирают материал из числа уже существующих. Выбор основывают на комплексе свойств, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкции в заданных условиях эксплуатации. Важный этап выбора материала – оценка его стоимости и дефицитности. Материал должен быть по возможности дешевым с учетом всех затрат, включающих как стоимость самого материала, так и стоимость технологии изготовления из него деталей.

В настоящем учебном пособии рассмотрены физико-химические основы строения и свойств конструкционных металлических и неметаллических материалов, приводятся методы определения механических свойств материалов, излагаются основы термической обработки и поверхностного упрочнения деталей, и также представлены все основные технологические процессы. Особое внимание следует обратить на техническую терминологию (названия материалов и процессов) и инженерное или научное содержание этих терминов, т.к. вся техническая документация на производстве, начиная от технологических карт в цехе и заканчивая бизнес-планом всего предприятия, содержит множество технических терминов. Не понимая их содержания невозможно построить грамотную политику в экономике и управлении предприятием.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.001 с) .

Источник

Способы получения материалов с заданным комплексом свойств

—> —>

—> —>Категории раздела —>
	—> Технология 5 класс [40] Технология 6 класс [43] технология 7 класс [38] Технология 8 класс [54] —>

—> —>

—>Часы —>
	—>

Установи часы правильно

—>

—> —>

—> —>Мини-чат —>
	—> —>

—> —>

—>Релаксация —>
	—>

—> —>

—> —>Наш опрос —>
	—>

§ 20. Технологии получения и обработки материалов с заданными свойствами

Выйдя на улицу, сегодня можно увидеть огромное количество разнообразных машин. Приведите примеры машин, которые используются с разными целями. Подумайте, какие материалы применяются при их изготовлении. Как вы думаете, какие из этих материалов существовали 100 лет назад?

Технология машиностроения занимается изучением и разработкой технологических процессов, связанных с конструированием и производством различных машин и приборов. К технологическим процессам машиностроения относятся технические расчёты, выбор материалов и способов их обработки, контроль качества, способы изготовления и соединения деталей, проектирование машиностроительных заводов и организация производства на них.

Возникновение машиностроения связывают с эпохальным событием в истории промышленности – изобретением Джеймсом Уаттом (1736–1819) в Англии в 1782 г. универсальной паровой машины (рис. 1), использование которой способствовало модернизации традиционных производств (прежде всего текстильного), возникновению новых видов транспорта (железнодорожного и морского) и отраслей промышленности, в том числе машиностроения. С этого момента началась промышленная революция в истории человечества. С тех пор машиностроение является фундаментом для развития и модернизации всех отраслей промышленности.

Рис. 1. Паровая машина Дж. Уатта

Машиностроение обеспечивает оборудованием все другие отрасли хозяйства, поэтому от уровня развития технологий машиностроения зависит экономическое развитие страны. Продукция современного машиностроения и технологии, используемые для её производства, очень разно образны. В настоящее время активно развиваются отрасли машиностроения, использующие последние достижения науки и техники. Технологии этих отраслей связаны с разработкой и изготовлением сложных приборов, радиотехнической и электротехнической продукции, компьютеров, роботов, авиационных приборов, ракетно-космической техники, лазеров и т. д.

Одним из новых приборов является 3D-принтер (рис. 2) – устройство, использующее метод послойного создания объекта. 3D-принтеры нашли своё применение, например, в технологии прототипирования , т.е. быстрого изготовления моделей и объектов для их дальнейшего изучения и совершенствования.

Рис. 2. 3D-принтер

Лазерные технологии сегодня широко используются в различных отраслях промышленности, в науке, медицине и т.д. Лазер представляет собой мощный источник узконаправленного света. С одной стороны, лазеры являются продукцией машиностроения, а с другой стороны, технологии с использованием лазеров активно применяются во всех отраслях машиностроения (рис. 3).

Рис. 3. Лазерная сварка

Ещё одним современным направлением машиностроения является робототехника (рис. 4). Создание и применение роботов позволяет облегчить труд людей, избавить человека от вредной и опасной работы. Роботы могут выполнять сложные производственные операции 24 часа в сутки, выпускать продукцию высокого качества.

Рис. 4. Промышленные роботы

Первый проект парового двигателя разработал в 1763 г. российский изобретатель И. И. Ползунов (1728 — 1766).

В 1765–1766 гг. им были построены паровые двигатели (рис. 5).

Рис. 5. Чертёж и модель машины И. И. Ползунова

В начале XXI в. человечество продолжает использовать традиционные конструкционные материалы: древесину, металлы и их сплавы, пластмассы.

Однако современная техника промышленность предъявляют новые требования к материалам, которым не удовлетворяют традиционные конструкционные материалы. Появилась необходимость в материалах, обладающих высокой атмосферной, механической и химической устойчивостью, стойкостью к коррозии, не поддерживающих горение, способных сообщать информацию о своих дефектах и т.д. Учёные научились делать материалы, свойства которых определяются заранее, их называют материалами с заранее заданными свойствами .

Среди современных материалов особое место занимают композиционные материалы. Композиционный материал – это искусственно созданный материал, который состоит из нескольких компонентов. Одним из видов композиционных материалов являются слоистые материалы (рис. 6).

Рис. 6. Пример слоистого композиционного материала

Композиционные материалы в настоящее время на ходят разнообразное применение (рис. 7): в домостроении, в производстве спортивных и бытовых товаров, в авиационной промышленности, в автомобилестроении, судостроении, в атомной промышленности и т. д. Например, при строительстве самолётов более 30% деталей изготавливают из высокопрочных композиционных материалов, вследствие чего вес самолётов снижается на 15–30%, уменьшается расход топлива, улучшаются экологические показатели.

Рис. 7. Применение композиционных материалов

Итак, создание композиционных материалов открывает новые возможности практически во всех областях человеческой деятельности .

Таким образом, вы познакомились с некоторыми новыми технологиями, которые используются в современной промышленности.

Основные понятия и термины:

технологии машиностроения, 3D-принтер, технологии прототипирования, лазерные технологии, робототехника, материал с заранее заданными свойствами, композиционный материал, слоистые материалы, паровой двигатель.

? Вопросы и задания

1. Объясните, почему машиностроение является фундаментом для развития промышленности.

2. Какие современные направления развития машиностроительных технологий вам известны? Расскажите о них.

3. В чём отличие традиционных конструкционных материалов от материалов с заранее заданными свойствами?

4. Каковы преимущества использования композиционных материалов по сравнению с традиционными материалами?

Найдите в Интернете информацию об истории создания паровой машины. Подготовьте презентацию и рассказ об этом.

Найдите в Интернете примеры использования композиционных материалов в машиностроении. Подготовьте рассказ и презентацию об этом.

Источник

Технологические принципы получения материалов с заданными свойствами (теоретические основы)

Существует большое количество технологий производства искусственных строительных материалов. Однако при таком их многообразии имеются общие принципиальные положения, являющиеся основой при выборе технологического процесса производства материалов заданных свойств.

Одним из главных положений, формирующих современную технологию производства строительных материалов, является то, что эта технология является преимущественно химической.

Действительно, исходя из этого положения, для выбора и обоснования технологических принципов получения материалов заданных свойств необходимо знать:

— состав и структуру веществ исходных материалов, особенности их межмолекулярных связей;

— закономерности химических реакций и физико-химических процессов (растворение, кристаллизация, смачивание, адсорбция, адгезия);

— особенности взаимодействия дисперсных коллоидных частиц и т.п.

Другим основным принципиальным положением, формирующим современные технологии искусственных строительных материалов, являются такие фундаментальные науки, как физика и механика. Проектируя тот или иной технологический процесс переработки исходного сырья, необходимо знать основные законы этих дисциплин, определяющие особенности реологических свойств материалов, тепломассообменные процессы, протекающие во время их производства.

Поясняя это положение, можно отметить, что все технологические процессы протекают при различных вариациях давлений и температур. Например, исходя из нормальной температуры Т_н и давления Р_н, можно получить различные варианты их сочетания:

Поэтому законы термодинамики широко используются в технологии строительных материалов.

Первый закон термодинамики представляет собой математическое выражение закона сохранения энергии: Q = DU + A, из которого следует, что переданное системе количество теплоты Q расходуется только на увеличение внутренней энергии DU и совершение работы А.

Второй закон термодинамики утверждает, что все процессы в материалах протекают в направлении от менее вероятного состояния (неустойчивого) к более вероятному – равновесному. Равновесное состояние характерно для данных внешних условий и восстанавливается при его нарушении.

Первый закон термодинамики позволяет проводить теплотехнические расчеты технологических процессов. Второй закон – определяет направление самопроизвольно идущих процессов в материалах и пределы их протекания.

Общей особенностью технологических процессов является то, что большинство из них развивается по закономерностям цепных реакций, т.е. с развитием этих процессов их скорость возрастает или затухает. Такие закономерности в ряде случаев можно описать зависимостью:

dy/dt = k y m , (2.1)

где у – переменная, характеризующая, например, количественно процесс смешения, степень растворения, уплотнения и т.д.;

dy/dt – скорость изменения этой переменной во времени;

Если m = 1, то функция принимает вид экспоненты.

При проектировании технологии материалов очень часто используют также закон тепломассообменных процессов, которые описываются дифференциальным уравнением:

(2.2)

где Т – температура;

Ñ 2 – оператор Лапласа ( );

a – коэффициент температуропроводности материала

Существуют приемы, которые позволяют управлять сложными процессами структурообразования и получать материалы с оптимальными свойствами. Их условно разделяют на три группы: механические, физические и химические.

Одним из распространенных механических приемов управления структурообразованием материалов является вибрация. Она, например, широко используется в процессах перемешивания и уплотнения бетонных смесей. При вибрационном воздействии структура бетонных смесей разрушается, при этом резко снижается их вязкость и они приобретают свойства жидкости, что облегчает их перемешивание, уплотнение и получение изделий заданной плотности.

Вибрация применяется и в других видах механической обработки материалов (облегчает резание, точение, сверление, уменьшает трение и т.д.).

Для каждого конкретного случая применения вибрации устанавливают оптимальные величины частоты и амплитуды колебаний, а также момент ее приложения и продолжительность воздействия.

К наиболее значимым физическим приемам, применимым в технологии материалов, можно отнести регулирование температурного воздействия и методы активации исходных компонентов. Правильное назначение температурных режимов позволяет управлять скоростью физических и химических реакций и процессов, протекающих в материалах (разжижение битумов и удаление из них воды, обжиг кирпича, сушка древесины, твердение минеральных вяжущих и др.). Активация твердых и жидких компонентов для получения композиционных материалов (асфальто- и цементобетонов) способствует усилению адгезии между этими компонентами, т.е. созданию прочных химических связей между ними. К перспективным физическим методам обработки исходных материалов следует отнести использование ультразвукового, магнитного, электромагнитного, электрогидравлического и трибоэлектрического воздействия. Их применение преследует цель интенсификации процессов структурообразования и улучшения качества материалов.

К наиболее устоявшимся химическим технологическим приемам относится применение различных добавок и ПАВ (поверхностно-активные вещества).

Добавки, как средство регулирования свойств материалов химическим путем, известны давно, но широкое применение они получили лишь в последнее время (особенно для получения цементобетонов).

Введение добавок (пластифицирующих, гидрофобных, воздухововлекающих и др.) в небольших количествах позволяет влиять на технологические параметры строительных материалов, замедлять или ускорять процессы, протекающие в них, улучшать их свойства, обеспечивать в ряде случаев производительность перемешивания и уплотнения смесей.

Распространены минеральные добавки, которые могут играть роль центров кристаллизации, служить катализаторами, ингибиторами или стабилизаторами в процессах структурообразования материалов. Например, в цементы вводят добавки с активным кремнеземом SiO₂, с гидрооксидом кальция Ca(OH)₂, в результате чего образуются нерастворимые вещества, упрочняющие структуру бетона.

Получили значительное распространение полимерные добавки. Например, при использовании водо-растворимых полимеров бетонная смесь пластифицируется, что облегчает формование изделий, а затем эти добавки полимеризуются и образуют прочную сетчатую структуру, способствуя упрочнению бетона.

В настоящее время при производстве различных строительных материалов стали широко применять поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Эффект применения ПАВ заключается в том, что их молекулы, адсорбируясь на поверхности зерен материалов, уменьшают поверхностную энергию на границах раздела, например, твердое тело – жидкость (газ).

Подбирая ПАВ для целенаправленного изменения поверхностной энергии материалов, можно химическим путем управлять многими технологическими процессами:

— получать устойчивые эмульсии (или, наоборот, добиваться быстрого их распада при контакте с минеральными материалами;

— пластифицировать бетонные смеси;

— регулировать содержание газообразной фазы в материалах;

— существенно снижать затраты энергии на дробление и измельчение материалов, поскольку ПАВ обусловливают адсорбционное понижение их прочности (эффект академика П.А.Ребиндера).

Наряду с ПАВ, в технологии производства материалов используют также добавки-электролиты, которые могут ускорять или замедлять процессы растворения веществ, изменять свойства жидкой фазы. При этом изменяются: растяжимость, температура размягчения, хрупкости и другие свойства, которыми необходимо управлять, чтобы получить материал с заданными свойствами при минимальных затратах.

Одним из основных принципов технологических процессов производства материалов высокого качества является комплексность использования физических, механических и химических методов воздействия на исходное сырье и материал.

Эффект комплексного воздействия указанных методов широко используется в технологии материалов и материаловедении. Его значимость настолько велика, что именно благодаря ему, учение о превращении исходного сырья в материал с заданными свойствами получило наименование физико-химической механики материалов и стало основой всех прогрессивных технологий строительных материалов.

Технологию получения строительных материалов максимально механизируют и автоматизируют, при этом особое внимание уделяют оптимизации технологических процессов на основе применения ЭВМ.

Следует подчеркнуть, что современная технология строительных материалов обязательно учитывает меры по энергосбережению и требования промышленной экологии.

Источник