Занятие 1. (2 часа!)
Введение.
Материалы – вещества, используемые
в технике, в т.ч. в строительстве.
Свойства – признаки, по которым
различные материалы отличаются друг
от друга.
Свойства материалов (условно
подразделяют на виды):
- физические;
- химические;
- механические;
- технологические и т.д.
Физические
свойства материалов зависят от их
внутреннего строения.
1 Плотность:
- истинная плотность – определяется отношением массы
абсолютно плотного вещества (без примесей
посторонних веществ и воздушных пустот)
к занимаемому им объему. Истинная плотность
материала всегда оказывается достаточно
высокой, например для древесины это значение
составляет 1500 – 1600 кг/м³, тогда как средняя
плотность равна всего 500 – 600 кг/м³ (для
сосны).
Ρ=m/Vп, кг/м3 (см3)
m – масса материала, кг (г);
Vп – объём материала
в плотном состоянии (без пор и пустот),
м3 (см3).
- Средняя плотность – масса
одного кубического метра материала
в его естественном состоянии (с естественными примесями, воздушными пустотами и порами). Средняя плотность одного и того же материала различна для его вариантов с различной пористостью. Кроме того при повышении влажности материала, его плотность так же будет изменяться, возрастать.
Ρ=m/V, кг/м3 (см3)
m – масса материала,
кг (г);
V – объём материала в естественном
состоянии, м3 (см3).
- Насыпная плотность – характеристика
сыпучих материалов (песка, цемента, щебня
и др.) так же, как и средняя плотность определяется
отношение массы вещества к занимаемому
им объему, с учетом всех пустот между
частицами.
2 Пористость – это степень заполнения
объема материала порами, выражается в
процентном отношении объема, заполняемого
порами к объему всего материала с порами.
П=(1-ρср/ρ)100, %.
ρср – средняя
плотность материала, кг/м3;
ρ – истинная плотность.
По типу поры делятся
на
-открытые и закрытые;
- мелкие и крупные.
Чем большей пористостью
обладает материал, тем больше его свойство
водопоглощения и теплоизоляции и меньше
плотность, прочность и долговечность.
3 Теплопроводность –
свойство материала передавать
через свою толщу тепловой
поток, возникающий вследствие разности
температур. Теплопроводность характеризуется
количеством теплоты, проходящей
в течение 1 ч через слой материала
толщиной 1 м, площадью 1 м2 при разности
температур на противоположных поверхностях
1 градус.
Теплопроводность металлов
является наиболее высокой по сравнению
с теплопроводностью других материалов.
Материалы с малой теплопроводностью
используют для изоляции трубопроводов
и утепления наружных ограждающих конструкций.
4 Теплоёмкость – свойство
материалов поглощать при нагревании
определённое количество теплоты.
Мера теплоёмкости – удельная
теплоёмкость, равная количеству теплоты
(в джоулях), которое необходимо для нагревания
1 кг материала на 1 градус.
5 Тепловое (термическое) расширение
– способность материалов изменять
свои размеры в процессе изменения
температуры. Данное свойство необходимо
учитывать при прокладке трубопроводов,
конструировании теплообменных
аппаратов.
6 Температура плавления
– температура, при которой материал
переходит в жидкий расплав
при фиксированном давлении.
7 Влажность – содержание
влаги в образце, отнесённое к
массе этого образца в сухом
состоянии.
W=Mводы/m, %.
8 Водопоглощение - это способность материала
поглощать воду при повышении влажности,
удерживать ее, и отдавать влагу обратно
при высыхании. Водопоглощение, как свойство,
выражается в процентном отношении массы
поглощенной воды к массе вещества в сухом
состоянии. Разделяют объемное водопоглощение,
величина которого всегда меньше 100%
W0=((m1-m2)/Vc)100%,
и массовое водопоглощение,
для высокопористых материалов этот показатель
может доходить до 400% и больше.
W0=((m1-m2)/m1)100%,
m1 - масса материала
в сухом состоянии, кг;
m2 – масса материала
в полностью насыщенном водой состоянии,
кг;
Vс – объём материала
в сухом состоянии.
9 Водопроницаемость
– это способность пропускания влаги
под давлением. Показатель водопроницаемости
определяется количеством воды, прошедшей
через один квадратный метр площади материала
под давлением в 1Мпа за 1 час. Плотные материалы
в таких условиях абсолютно водонепроницаемы
(прочная пластмасса, битум, стекло, сталь).
10 Морозостойкость материала определяется
его устойчивостью к перепадам температуры
в насыщенном водой состоянии. В условиях
насыщения поры материала заполнены водой,
которая при замерзании превращается
в лед и увеличивается в объеме до 9%, в
результате чего стенки пор испытывают
большое давление и могут разрушаться.
Все плотные материалы являются морозостойкими,
а пористые материалы могут противостоять
разрушающим воздействиям, если их поры
являются закрытыми или заполняются водой
не более чем на 90%.
Испытания на морозостойкость
проводят за несколько циклов замораживания
при температуре -15 и оттаивания. Если
после испытаний прочность материала
снизилась не более чем на 15% и потери в
массе составили не более 5%, то материал
считается морозостойким. Степень морозостойкости
определяется отношением предела прочности
при сжатии после испытаний к пределу
прочности до испытаний (в насыщенном
водой состоянии). Для морозостойких материалов
такой показатель не менее 0,75.
Химические
свойства характеризуют способность
материалов к химическим превращениям
под влиянием веществ, с которыми данный
материал находится в соприкосновении.
- жаростойкость
– свойство металлов и сплавов
противостоять химическому воздействию
при высоких температурах;
- кислотостойкость
– способность металлов и сплавов противостоять
действию растворов кислот;
- коррозионностойкость
– свойство материала противодействовать
агрессивным средам.
Механические
свойства характеризуют способность
материалов сопротивляться деформациям
и разрушению под действием внешних нагрузок.
- прочность –
свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутреннихнапряжений, возникающих под воздействием
внешних сил.
- упругость;
- пластичность –свойство
материала изменять форму и размеры под
нагрузкой без образования разрывов и
трещин и сохранять изменившиеся форму
и размеры после удаления нагрузки;
- твёрдость – способность
материала сопротивляться пластической
деформации или хрупкому разрушению в
поверхностном слое при местных контактных
силовых воздействиях;
- усталость – изменение
механических и физических свойств материала
под действием периодически изменяющихся
во времени напряжений деформаций.
Занятие 2. (1 час!)
ТЕМА
1. Строение металлов и основные свойства
металлов и сплавов.
Основные свойства
металлов
1. Строение.
Металлы – наиболее распространенные
и широко используемые материалы в производстве
и в быту человека. Особенно велико
значение металлов в наше время, когда
большое их количество используют в машиностроительной
промышленности, на транспорте, в промышленном,
жилищном и дорожном строительстве, а
также в других отраслях народного хозяйства.
Металлы представляют собой
кристаллические тела с закономерным
расположением атомов в узлах пространственной
решетки.
Рис. 2. Элементарный
кубический кристалл: а – объемно-центрированный;
б – гранецентрированный.
Решетки состоят из ряда кристаллических
плоскостей, расположенных друг от друга
на расстоянии нескольких нанометров
(1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния
28,4 нм (б=Fe) и 36,3 нм (г = Fe). Большинство
металлов имеет пространственные решетки
в виде простых геометрических фигур.
Зёрна – отдельные участки
кристаллической решётки, прочно связанные
между собой.
Взаимное расположение зерен
отдельных элементов и сплавов определяет
структуру металлов и их свойства. Атомы
металлов характеризуются малым количеством
электронов (1...2) на наружной оболочке,
легко отдают их, что подтверждается высокой
электропроводностью.
Аллотропия - способность одного
и того же химического элемента при различной
температуре иметь разную кристаллическую
структуру.
Данным свойством обладают
железо, олово, титан и другие металлы.
Основные свойства
металлов ( и сплавов) подразделяют на
- физико-химические;
- технологические;
- механические.
Под механическими
свойствами понимается сопротивляемость
металла к воздействию на него внешней
силы.
К механическим свойствам
относятся
- вязкость,
- прочность,
- стойкость и другие.
Прочность – это свойства металла в определенных
условия не разрушаться, но воспринимать
воздействие внешних сил. Это свойство
является важным показателем при выборе
метода обработки металла.
Вязкость – это сопротивляемость материала
действию ударной нагрузки.
Твердость – свойства материала сопротивляться
внедрению в него другого материала.
К основными
технологическими свойствам относят
- ковкость,
- свариваемость,
- свойство плавления,
- обрабатываемость
резанием и другие.
Ковкость – это свойства материала подвергаться металлообработке ковкой и другим методам обработки
давлением.
Свариваемость – свойства материала создавать
прочные сварные соединения.
Свойство плавления – свойство материала в расплавленном
виде заполнять литейные формы и создавать
плотные отливки с нужной конфигурацией.
Обрабатываемость
резанием – свойство материала подвергаться резке металла для того, чтобы придать детали
нужную форму, размер и шероховатость
поверхности. Лучшим методом резки металлов
является плазменная
резка металла. После этого процесса металл
практически не нуждается в дальнейшей металлообработке.
Для того, чтобы получать
качественное изделие с хорошим внешним
и внутренним строением, нужно хорошо
разбираться в строении металлов, ведь
только так можно получить отличный результат.
(2 час!)
Сплавы!
Сплав — макроскопически
однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего
числа химических
элементов с преобладанием металлических компонентов.
Наиболее
распространёнными являются железоуглеродистые
сплавы с различным содержанием углерода
и иных компонентов.
При кристаллизации
железоуглеродистых сплавов образуются
следующие структурные компоненты:
- аустенит;
- феррит;
- цементит;
- перлит;
- ледебурит.
Аустенит – твёрдый раствор
углерода в γ – железе (состояние (одна
из фаз) железа, в котором оно находится
при температуре между 910-1400°).
Сталь в виде сплава
железа с углеродом содержанием не более
2% при температурах выше 7230С имеет структуру
чистого аустенита. Кристаллическая решётка
аустенита – гранецентрированный куб.
Аустенит обладает
высокой пластичностью и низкой твёрдостью.
Хорошо поддаётся горячей обработке давлением,
т.е. ковке, штамповке, прокатке.
Феррит
– твёрдый раствор углерода
в α – железе ( состояние железа,
в котором оно находится при температуре
до 769 °с; от других состояний (гамма-и дельта-железо)
отличается строением кристаллической
решетки).
В таком растворе процентное
содержание углерода менее 0,02%. Кристаллическая
решётка – объёмно-центрированный куб.
Феррит обладает свойствами,
аналогичными аустениту.
Цементит – химическое соединение
железа и углерода - Fe3C.
Содержание углерода
6,67%. Кристаллическая решётка сложная.
Увеличение содержания
цементита в железоуглеродистых сплавах
повышает их твёрдость и хрупкость.
Перлит – механическая смесь
феррита и цементита. Содержание углерода
0,83%.
Чем больше перлита
в сплаве, тем выше показатели его механических
свойств.
Ледебурит – механическая смесь
цементита и аустенита. Углерод – 4,3%.
Применяемые в промышленности
железоуглеродистые сплавы содержат не
более 4,5% углерода.
Сплавы, содержащие
более 2% углерода называются чугунами,
менее 2% - сталями.
Основными металлами,
применяемыми в строительстве и санитарно-технических
системах, являются чёрные металлы – чугун
и сталь.
Занятие 3. (1 час!)
Производство чугуна
Производство чугуна – первичный
процесс получения металла из природного
сырья.
Исходные материалы:
- железные руды;
- топливо;
- флюсы.
Железные руды:
Fe3O4 – магнитный
железняк, содержание железа до 70%;
Fe2O3 – красный
и бурый железняк, содержание железа 50-60%;
FeCO3 – шпатовый
железняк, содержание железа до 50-60%;