Матеріалознавство

Арм
Матеріалозна́вство (англ. materials science) — міждисциплінарна галузь науки, що вивчає залежність між складом, структурою та властивостями матеріалів у взаємозв'язку з технологією їх отримання та переробки, умовами експлуатації та вартістю, і яка спрямована на створення нових матеріалів, що задовольняли б потреби людини[1].
Завдання, які вирішуються сучасним матеріалознавством, у значній мірі обумовлюють розвиток енергетики, електроніки, інформаційних та нанотехнологій, хімічної, аерокосмічної та інших галузей промисловості, транспорту, медицини й охорони здоров'я.
Хоча вивчати корисні властивості матеріалів люди почали здавна, але як науку матеріалознавство сформовано в середині XX-го століття, коли вже було завершено створення власного базису фізики, хімії та механіки, а також визначено поняття «структура матеріалу» в широкому діапазоні — від атомарного (завдяки відкриттю дифракції рентґенівського випромінювання й електронної мікроскопії) до макроскопічного. Нині матеріалознавство відносять до категорії меганаук, тобто до широкого напряму діяльності людей, що визначає стійкий та безперервний прогрес цивілізації[1].

Основні поняття

Під загальним терміном «матеріали» в матеріалознавстві зазвичай мають на увазі прості або складні речовини, їх суміші, гетерогенні композиції, що мають певний хімічний і фазовий склад, структуру та сукупність корисних властивостей. Матеріалом також називають продукт усвідомленого технологічного оброблення природної або синтетичної сировини з метою досягнення в ньому заданого комплексу властивостей та експлуатаційних характеристик у відповідних умовах. Переважно це тверді та рідкі конденсовані фази.
Технологія отримання матеріалу — вміння цілеспрямовано створювати матеріальні об'єкти з наперед заданими хімічним і фазовим складом, розмірами, структурою та властивостями. Без цього не можливе існування виробництва. Ті чи інші матеріали в людському житті потрібні повсюдно, їх вибирають усвідомлено, на основі знань для: будівництва й експлуатації житла, воєнних цілей, створення предметів побуту, для вирощування, оброблення й зберігання врожаю, створення засобів виробництва, транспортування та комунікацій, дослідження природи, а також створення нових матеріалів.

                    

    ІСТОРИЧНА  ДОВІДКА


Лезо меча з часів пізньої бронзової доби
Лезо меча з часів пізньої бронзової добиРанні етапи розвитку цивілізації отримали назви, пов'язані з видом матеріалу, що найбільше використовувався людиною (кам'яна, бронзова, залізна доба).
Камінь, як матеріал для виготовлення найпростіших знарядь праці та зброї почали використовувати понад 300 тис. років тому, виробництво керамічних матеріалів (виробів з випаленої глини) виникло близько 30 тис. років тому. До періоду неоліту належать перші спроби обробки (у 8-тисячолітті до н. е. було освоєне декоративне кування та карбування самородної міді) та плавки металів (приблизно у 5-му тисячолітті до н. е. навчились виплавляти мідь з малахіту та азуриту й виливати предмети різноманітної форми, у 35 столітті до н. е. почали виплавляти залізо, придатне до використання з декоративною метою). Приблизно у 3-му тисячолітті до н. е. увійшов у вжиток перший відомий металевий сплав — бронза. У 9–7 ст. до н. е. винайдено спосіб виробництва сталі і приблизно у 3 ст. до н. е. розроблена технологія розливання сталі у виливниці, що поклало початок сучасної металургії.
Другий після кераміки неметалевий матеріал — скло отримано приблизно у 4-му тисячолітті до н. е., склодувне виробництво виникло у 1-му ст. до н. е. В античний період та у середні віки розвиток матеріалознавства зводився в основному до створення конструкційних та будівельних матеріалів. У цей період розвивається також виробництво порцеляни, природних барвників, природних клеїв, кришталю тощо.
Важливий прорив у становленні наукових основ матеріалознавства зробили:
  • відкриття Д. Менделєєвим періодичного закону, на основі якого стало можливим зв'язати властивості простих і складних речовин з характеристиками атомів, що їх утворюють;
  • викладення Дж. Гіббзом загальної теорії термодинамічної рівноваги і методу термодинамічних потенціалів, що дозволило визначати напрям перебігу хімічних реакцій та умови рівноваги для сумішей будь-якої складності;
  • розроблення у 1913 році Н. Бором першої квантової теорії атома, яка дозволила зрозуміти фізичну природу періодичності властивостей хімічних елементів та їх сполук.
Суттєвому прогресу матеріалознавства сприяв розвиток методів дослідження та характеризування матеріалів.
Основними методами дослідження складу та будови об'ємних матеріалів стали рентгенівські дифракційні методи (рентгенографія матеріалів), методи термічного аналізу і калориметрія, хімічні методи аналізу і хроматографія. Для дослідження поверхонь матеріалів і нанорозмірних об'єктів використовують спектроскопічні методи (фотоелектронну спектроскопію, оже-спектроскопію, комбінаційне розсіяння світла тощо), сканувальну та просвітлювальну електронну мікроскопію, мікрозондовий аналіз, мас-спектроскопію вторинних іонів.
Для контролю технологічних властивостей використовуються методи випробувань матеріалів.
Предмет, мета, завдання та базисні дисципліни матеріалознавства

Предметом матеріалознавства є встановлення закономірностей взаємозв'язків у системі «склад — структура (електронна, атомна, нано-, мезо-, мікро-, макро-) — технологія отримання та переробки — функціональні (механічні, термічні, електричні, магнітні, оптичні та ін.) властивості» матеріалу, а також цілеспрямоване удосконалення властивостей уже відомих та створення нових матеріалів із заданими властивостями.
Мета дисципліни — пізнання властивостей матеріалів в залежності від складу і виду обробки, методів їх зміцнення для найефективнішого використання в техніці, а також створення матеріалів з наперед заданими властивостями: з високою міцністю чи пластичністю, з доброю електропровідністю, великим електричним опором або спеціальними магнітними властивостями, а також, поєднання різних властивостей в одному матеріалі (композиційні матеріали).
Головним завданням цієї дисципліни є набуття знань та навичок по оцінюванню властивостей матеріалів, раціональному і доцільному вибору їх для конкретних умов роботи, вміння застосовувати ефективні технологічні методи обробки та зміцнення, які б привели в результаті до здешевлення виробів, зниження матеріаломісткості з одночасним збільшенням терміну експлуатації.
Основоположною рисою сучасного матеріалознавства є його міждисциплінарність, так як завдання, що стоять перед ним, не можуть бути вирішені в рамках однієї наукової дисципліни. Фундаментом сучасного матеріалознавства є такі розділи фізики, хімії та біології:

             Класифікація  матеріалів

В основу загальної класифікації матеріалів покладене їхнє розділення за походженням на природні і штучні. До перших, зазвичай, належать як неорганічні (наприклад, глини, мінерали), так і органічні (деревина, папір, шкіра, природні волокна тощо) матеріали.
За агрегатним станом матеріали поділяють на газоподібні (наприклад, пароводяні чи газові теплоносії, топкові гази тощо), рідинні (лакофарбові матеріали, мастильні матеріали) і тверді. Тверді матеріали — найчисельніша група — можуть бути як кристалічними (наприклад, оптичні матеріали, метали тощо), так і аморфними (синтетичні смоли, скло, пластмаси); більшість твердих матеріалів є багатокомпонентними і багатофазовими.
До нетрадиційних у матеріалознавстві належить класифікація за типом хімічного зв'язку, що домінує у матеріалі або визначає його властивості: ковалентні, металічні, іонні, Ван дер Ваальсові, водневі тощо.
Серед найпоширеніших матеріалів — метали та сплави, зокрема, залізовуглецеві сплави (сталі й чавуни), феросплави, сплави алюмінію, золота, магнію, міді, молібдену, нікелю, кобальту, титану, хрому, цирконію тощо.
За призначенням і корисними властивостями виділяють абразивні матеріали, антифрикційні матеріали, фрикційні матеріали, будівельні матеріали, зварювальні матеріали, зносостійкі матеріали, інструментальні сталі, інгібітори корозії та інгібовані матеріали, розумні (інтелектуальні, функціональні) матеріали, конструкційні матеріали, лакофарбові матеріали, легкоплавкі матеріали, люмінофори, магнітні матеріали, магнітоелектричні матеріали, матеріали градієнтні, матеріали електретні, матеріали електроізоляційні, матеріали електропровідні, матеріали емісійні, метаматеріали, надпровідники, напівпровідники (зокрема й магніторозчинені напівпровідники), надлегкі матеріали, надтверді матеріали, наплавлювальні матеріали, немагнітні матеріали, оптичні матеріали, п'єзоелектричні та сегнетоелектричні матеріали, піроактивні матеріали, радіаційностійкі матеріали, радіопрозорі матеріали, резистивні матеріали, твердоелектролітні матеріали, термоелектричні матеріали, триботехнічні матеріали[1].

Склад і структура матеріалу

Структура твердого матеріалу відповідно до масштабної шкали (зліва направо): макроскопічна, мікроскопічна, наноскопічна. Кристалічна речовина (вгорі) і полімер (внизу)
Структура твердого матеріалу відповідно до масштабної шкали (зліва направо): макроскопічна, мікроскопічна, наноскопічна. Кристалічна речовина (вгорі) і полімер (внизу)
Мікроструктура вуглецевої сталі з фериту (світло-сірий колір) та перліту (темний колір)
Мікроструктура вуглецевої сталі з фериту (світло-сірий колір) та перліту (темний колір)
У матеріалознавстві розглядається хімічний і фазовий склад матеріалу. Хімічний склад визначають за сукупністю хімічних елементів матеріалу. Є основні (фазоутворюючі) елементи й елементи-домішки. Фази формують фазовий склад матеріалу, а кожну фазу представлено елементом структури (зерно, шар, включення тощо) і відповідною міжфазною границею. За хімічним складом і за розподілом фаз виділяють 4 типи структур: однофазні, статистичні багатофазні з ідентичними і неідентичними поверхнями розділу та матричні багатофазні. За морфологією елементів структури виокремлюють з пластинчастим, стовбчастим і тривимірними типами включень. Домішки розчинені в малих концентраціях і розподіляються переважно хаотично в об'ємі фаз і на міжфазних границях (зокрема, сегрегації). Вони можуть впливати на властивості матеріалів, як позитивно, так і негативно. Найрозповсюдженішими є одно- і багатофазні матричні та статистичні об'єкти, стовбчасті і багатошарові (переважно в плівках) структури.
Структура матеріалу — фундаментальна просторова характеристика матеріалу та складається з елементів структури, властивих певному просторовому масштабу. Матеріалознавство оперує електронною, атомно-молекулярною, макромолекулярною (кластерною), мікро-, мезо- і макроструктурами.
Електронна структура матеріалу важлива для характеристики хімічного зв'язку, зонної структури та залежних від неї властивостей: електричних, магнітних, оптичних, квантових тощо. Електронна структура твердих тіл відображається у вигляді спектрів, тому вона поєднана з атомно-молекулярною структурою в одному масштабному діапазоні (0,1…1,0 нм). Атомно-молекулярна структура дозволяє розуміти, чи матеріал є кристалічним, чи аморфним (металеві аморфні сплави, неметалеві аморфні й аморфно-кристалічні матеріали) і ввести поняття дефектів кристалічної ґратки (точкових, лінійних, планарних, об'ємних, домішкових, сегрегаційних та ін.), що також є елементами структури.
Макромолекулярний, або кластерний, масштаб структури розглядає об'єкти і явища (властивості) в масштабі розмірів 1…5 нм. У такому масштабі не завжди мають місце колективні явища, наприклад, поверхневий натяг чи феромагнетизм.
Мікро-, або зеренно-гетерофазна, структура (5…1000 нм) дозволяє визначити геометричні розміри та морфологію елементів мікроструктури і колективні явища: зерен, пор, включень, доменів, їхню просторову орієнтацію, анізотропію, текстуру тощо.
Мезоструктура (50 нм…1000 мкм) характеризує сукупності елементів мікроструктури та їхню взаємодію в більшому масштабі, ніж мікроструктура.
Макроструктура (понад 1000 мкм) матеріалу, що спостерігається неозброєним оком, дозволяє описати макродефекти й ушкодження, макроскопічні неоднорідності матеріалів і виробів до і після оброблення.
Для дослідження структури в різних масштабах науковці розробили та використовують численні методи: дифракцію рентґенівських променів, електронів або нейтронів, різні форми хімічного аналізу, рентгенівську і енергодисперсійну спектроскопії, аналіз зображень з оптичних, електроннних, атомно-силових мікроскопів тощо. Вимірювання розмірів структурних складових матеріалів здійснюють методами електронної мікроскопії за допомогою зображень прямого/зворотного розрізнення та наступним комп'ютерним обробленням результатів вимірювання для масивів, що містять 1000 і більше структур. елементів (наприклад, частинок, зерен). Під час вимірювання розмірів частинок, зерен, включень або пор прийнято оцінювати наступні параметри: середній діаметр за їхнім числом, середній або медіанний лінійний діаметр, діаметр еквівалентної окружності, середній діаметр за об'ємом, дисперсію цих характеристик. У багатьох випадках розподіл частинок, зерен за розміром має нормальний або логарифмічно-нормальний характер.
Найчутливішими до змін у ланцюзі структура–властивості є наноструктурні матеріали (нанодисперсні, нанокристалічні, нанопористі матеріали), що існують в діапазоні розмірів 1…100 нм. У багатьох матеріалах атоми, молекули, кластери, частинки збираються разом, утворюючи нанорозмірні об'єкти, головною особливістю яких є аномально високий вплив вільної поверхні або поверхонь розділу на властивості порівняно зі звичайними матеріалами. Саме ця особливість обумовлює багато цікавих термічних, кінетичних, електричних, магнітних, оптичних та механічних властивостей та їхніх комбінацій, притаманних наноструктурним матеріалам. Цей розділ матеріалознавства називають наноструктурним матеріалознавством.

Властивості матеріалу

Матеріалознавство використовує широкий інструментарій дослідження властивостей матеріалів, виробів, конструкцій.
Властивості відображають реакцію матеріалу на дію зовнішніх факторів та довкілля, за фізичними, хімічними, біомедичними і технологічними характеристиками бувають структурно-чутливими та нечутливими. Механічні властивості визначають шляхом навантажування стандартних зразків у полі механічних сил, магнітні — під впливом магнітного поля, оптичні — внаслідок пропускання світла. Кількісні характеристики використовують як параметри для взаємного порівняння матеріалів. Властивості можуть бути постійними або з функцією незалежних змінних параметрів, таких, як напруга, температура, тиск. Вони залежать від напрямку в матеріалі, в якому їх вимірюють, тобто демонструють анізотропію та текстуру. Властивості матеріалів, що стосуються 2-х різних фізичних явищ, часто мають лінійну (або приблизно лінійну) залежність в заданому робочому діапазоні. Цю залежність розглядають як усталену для цього діапазону. Лінеаризації дають змогу значно спростити форму запису диференціальних визначальних рівнянь, що описують відповідні властивості.

Сучасний стан науки

Історично склалось так, що до середини XX ст. у науковому світі поняття «матеріалознавство» повністю асоціювалось з поняттям «металознавство». Починаючи з 1960-х років ця галузь науки суттєво розширилась і включає значно ширший спектр досліджуваних матеріалів, у тому числі метали та їх сплави, що зберегли свою провідну роль як конструкційні матеріали, кераміку, полімерні матеріали, композиційні матеріали, скло, напівпровідникові матеріали, магнітні матеріали, біоматеріали, органічні матеріали.

Металургія та металознавство

Твердосплавні пластинки для різального інструменту, виготовлені методами порошкової металургії
Твердосплавні пластинки для різального інструменту, виготовлені методами порошкової металургії
Докладніше: Металургія та Металознавство
До головних напрямів розвитку металургії та металознавства, як її наукового базису, на сучасному етапі належать:
  • удосконалення технологій отримання металів та виробів з них (безперервне розливання сталі, електрометалургійні технології, направлена кристалізація, модифікування поверхні сталі лазерним обробленням, плазмохімічне легування, іонна імплантація поверхні, порошкова металургія тощо);
  • підвищення міцності, зносостійкості та корозійної тривкості сталей при високих тисках і температурах;
  • створення комплексно-легованих сплавів з мінімальним вмістом дефіцитних металів та дешевих жаротривких сплавів на основі алюмінатів заліза і нікелю;
  • отримання нових металевих матеріалів (надчисті метали, аморфні магнітні сплави, корозіє тривкі біологічно сумісні сплави, сплави з пам'яттю форми тощо).

Створення та використання полімерних матеріалів

Важливими показниками науково-технічного прогресу у багатьох галузях є рівень і темпи зростання виробництва та використання полімерних матеріалів, їх номенклатура та якість. Становлення науки про полімери тісно пов'язане з прикладними аспектами їх використання. Дослідження, які проводились у середині XIX ст. були в основному спрямовані на модифікування природних полімерів з метою надання їм потрібних властивостей за рахунок хімічних реакції природних речовин з низькомолекулярними сполуками; найважливішими досягненнями у цьому напрямі є відкриття вулканізації натурального каучуку у 1839 році Ч. Гуд'їром (США) та у 1843 Т. Генкоком[en] (Велика Британія) та отримання на початку 1830-х років нітроцелюлози (згодом волокна і пластмаси на її основі). Наукові уявлення про будову полімерів виникли після створення О. М. Бутлеровим теорії хімічної будови, яка лежить в основі сучасної органічної хімії та отримали розвиток у фундаментальних працях Г.Шаудінгера.
Після синтезу у 1908 році твердої термореактивної смоли (американський хімік Л. Бакеланд), а у 1938—1939 — найлону (Воллес Карозерс) розпочався революційний прорив у полімерному матеріалознавстві. Дослідження К. Ціглера і Дж. Натти (відкриття у 1954-му металокомплексного каталізу) мали не лише видатне наукове значення, але й привели до нового і простого шляху отримання одного з найважливіших промислових полімерів — поліетилену та синтезу стереорегулярних полі-α-олефінів, зокрема поліпропілену.
Застосування полімерних матеріалів дозволяє суттєво знизити металомісткість і вагу конструкційних матеріалів, що використовуються у машинобудування та будівництві. Серед конструкційних пластмас слід назвати поліаміди, полікарбонати, поліфеніленоксиди, поліакрилати та ін. Найперспективнішим напрямом розвитку є розробка термостійких (до 500 °C) полімерів, термопластичних зносостіких поліуретанів з високим модулем еластичності, біополімерів та полімерних сплавів для потреб медицини, рідиннокристалічних сегнетополімерів та плівкових полімерів з уніполярною іонною провідністю для мікроелектроніки, високоселектривних і продуктивних полімерних мебран для розділенні рідинних і газоподібних середовищ тощо.

Керамічне матеріалознавство

Деталі підшипникових вузлів, виконані з кераміки Si3N4
Деталі підшипникових вузлів, виконані з кераміки Si3N4
Одне з провідних місць серед конструкційних матеріалів займає кераміка. Багатоманітність керамічних матеріалів включає у собі будь-які полікристалічні матеріали, отримані спіканням неметалевих порошків природного або штучного походження. Керамічні матеріали здатні функціювати у ширшому, ніж інші матеріали, інтервалі температур. Зазвичай кераміка є крихким матеріалом та має принципово інший, порівняно з металами, механізм руйнування, у якому визначальна роль належить виникненню та поширенню мікротріщин. Тому успіхи розвитку конструкційних керамічних матеріалів тісно пов'язані з удосконаленням теорії крихкого руйнування.
Керамічні матеріали умовно поділяють на два класи — конструкційні (будівельна кераміка, технічна кераміка) та функціональні (діелектрики, п'єзоелектрики, сегнетоелектрики, піроелектрики, магнітна кераміка, надпровідники, оптично прозора кераміка тощо). І якщо перший клас має багатовікову історію розвитку, до другий виник та інтенсивно розвивається з другої половини XX століття. Значний внесок у дослідження та створення керамічних матеріалів зробили німецький фізикохімік К. Вагнер[en], американські вчені В.Д.Кінгері[en], Р.Рой[en], Дж.Гуденаф[en].
До актуальних задач керамічного матеріалознавства слід віднести отримання надпластичної кераміки і конструкційної кераміки для двигунів внутрішнього згоряння й турбін, кераміки для різального інструменту на основі оксидів, нітридів та карбідів, радіаційнотривкої кераміки для нейтронного захисту ядерних реакторів, керамічних волокон та пін з простих та складних оксидів для високотемпературної ізоляції, біокераміки на основі гідроксіапатиту для заміни та відновлення пошкоджених суглобів, нових функційних керамічних матеріалів.

Композиційні матеріали

Керамо-сталева ізоляційна плита
Керамо-сталева ізоляційна плита
Докладніше: Композити
Ступінь розвитку авіаційної та космічної техніки, транспорту, будівництва тощо визначається рівнем використання композиційних матеріалів. Композити є гетерогенними системами, що складаються з двох або більшої кількості фаз, що мають різну фізико-хімічну природу, для такої системи характерною є наявність розвинутої системи внутрішніх поверхонь розділення, градієнтів концентрацій і внутрішніх напружень.
Серед напрямків, що найбільше розвиваються слід відзначити розроблення:
  • армованих нитковидними монокристалічними волокнами конструкційних металевих матеріалів;
  • надпластичних композитів на основі алюмінію, зміцненого ультрадисперсним карбідом кремнію;
  • кераміки, зміцненої волокнами для дизельних двигунів;
  • хімічно стійкої склокераміки, зміцненої діоксидом цирконію;
  • гнучких п'єзоелектричних композитів на полімерній основі;
  • полімерних композиційних матеріалів на основі карбонових волокон, поліімідів тощо.


Тема: Алюміній та його призначення


Алюміній — сріблясто-білий легкий метал, добрий провідник тепла і електрики, пластичний, легко піддається механічній обробці. Алюміній стійкий до корозії (у ньому утворюється оксидні плівки, які захищають поверхню алюмінію). Алюміній плавиться при температурі – 660 °С. У 1 літрі морської води міститься 0,01 мг алюмінію. Лідером з виробництва алюмінію є – Китай. Основним недоліком алюмінію є – його міцність, тому його часто сплавляють з міддю і магнієм для зміцнення. Алюміній є матеріалом для виготовлення дзеркал, так як має високий коефіцієнт відбиття. У Японії, алюміній замінює срібло (він використовується для прикрас). Колись алюміній був дуже дорогим і з нього робили ювелірні вироби. Але ці часи давно пройшли. Наприклад за наказом Наполеона були зроблені алюмінієві ґудзики, столові прилади, вони подавалися тільки почесним гостям, а решта гостей користувалися приладами із золота і срібла. Алюміній відбиває близько 92 % видимого світла. Алюміній відбиває близько 98 % інфрачервоних променів. В денному раціоні людини вміст алюмінію досягає 35-40 мг.
Перше застосування дюралюмінію — виготовлення каркасу дирижаблів жорсткої конструкції, з 1911 року — більш широке застосування. Склад сплаву і термообробка у роки війни були засекречені. Завдяки високій питомій міцності дюралюміній, починаючи з 1920-х років, стає важливішим конструкційним матеріалом у літакобудуванні.
Густина сплаву 2 500—2 800 кг/м³, температура плавлення близько 650°C. Сплав широко використовується в авіабудуванні, при виробництві швидкісних потягів (наприклад потягів Сінкансен) та у багатьох інших галузях машинобудування (оскільки вирізняється істотно більшою твердістю, порівняно із чистим алюмінієм).
Після гартування з перенасиченням (нагрівання до температури прибл. 500°C та швидкого охолодження у воді) утворюється перенасичений атомами Купруму твердий розчин Алюмінію і міцність сплаву збільшуєтся за рахунок твердорозчинного зміцнення до значення границі міцності на розтяг близько 300 МПа. Після наступного старіння (природного за 20°C упродовж декількох діб чи штучного за 190°C упродовж близько 10 годин) сплав зміцнюється до значення границі міцності близько 500 МПа.
Наразі сплави алюміній–мідь–магній з додатками марганцю відомі під спільною назвою дюралюміни. У їх число входять сплави таких марок: Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1. Дюралюміни зміцнюються термообробкою; піддаються, як правило, загартуванню і природному старінню. Характеризуються поєднанням високої статичної міцності (до 450—500 МПа) при кімнатній та підвищеній (до 150—175°C) температурах, високою втомною міцністю та в'язкістю руйнування.
Недолік дюралюмінів — низька корозійна стійкість, вироби потребують ретельного захисту від корозії. Листи дюралюмінів, як правило, плакують чистим алюмінієм.
Маркується літерою А і цифрою, що вказує на вміст алюмінію. Алюміній особливої ​​чистоти має марку А999 - вміст Al в цій марці 99,999%. Алюміній високої чистоти - А99, А95 містять Al 99,99% і 99,95% відповідно. Технічний алюміній - А85, А8, А7 і ін
Застосовується в електропромисловості для виготовлення провідників струму, в харчовій і хімічній промисловості. Алюміній не стійкий у кислому і лужному середовищі, тому алюмінієвий посуд не використовується для маринадів, солінь, кисломолочних продуктів. Застосовується як розкислювача при виробництві сталі, для алітірованія деталей з метою підвищення їх жаростійкості. У чистому вигляді застосовується рідко через низьку міцність.
Тестові завдання:

                   1. Яка температура плавлення алюмінію?
a) 880℃
b) 660℃
c) 520℃
d) 1120℃

2. З яких перерахованих легуючих елементів вводять в алюміній для підвищення міцності?
 a) цинк
b) калій
c) латунь
d) вуглець

3.Як поділяють алюмінієві сплави за способом переробки у вироби:
a) деформовані
b) спечені
c) ливарні та пресовані
d) деформовані, ливарні та спечені

4. Які є основні легуючі домішки в сплаві силумін?
a) кремній
b) мідь
c) цинк і олово
d) титан і кремній

5. Як називається сплав алюмінію з магнієм?
a) бабіти
b) латуні
c) силуміни
d) магналії

Тема: Мідь та ЇЇ  сплави. Бронза та латунь
Мідь – це пластичний, рожево-червоний метал з металевим блиском. Мідь володіє  високою пластичністю і корозійною стійкістю, високою електропровідністю. Електропровідність  міді в 1,7 рази вище, ніж у алюмінію і теплопровідністю, а також стійкістю проти  атмосферної корозії. На повітрі мідь покривається щільною зелено-сірою плівкою основного карбонату, яка захищає  її від подальшого окислення. При високих температурах мідь сильно окислюється .
                
Температура  плавлення міді 1083 ° С, температура кипіння 2567°С.. Завдяки високій пластичності мідь добре обробляється тиском (з міді можна зробити фольгу товщиною 0,02 мм), але через високу  в'язкість по­гано піддається  різанню. Мідь  задовільно зварюється та добре паяєть­ся.

3. Мідь маркують буквою М, після якої стоїть цифра. Чим більше цифра, тим більше в ній домішок. Найвища марка М00 - 99,99% міді, М4 - 99% міді.

Цей метал застосовується в багатьох галузях промисловості, у чистому ви­гляді широко застосовується в електротехніці та приладобудуванні.
 Застосування  в локомотивах: обмотки  трансформаторів , обмотки  генераторів  ТЕД,  контакти реле та апаратів.
4. На зміну мідно-кам'яному вікові прийшов бронзовий (II — поч. І тис. до Н. X.), істотною рисою якого було поширення виробів з бронзи — першого штучно створеного людиною металевого сплаву. Перегляд відеоролику  «Бронзовий  вік» (1 хв)   
Винайдений метал був міцніший за мідь, мав меншу температуру плавлення, що значно спростило технологію обробки (його можна було виплавляти в примітивних печах або на звичайних вогнищах). Ці переваги сприяли поширенню та утвердженню бронзи як основного матеріалу для виготовлення знарядь праці, зброї, прикрас.
Бронзами називають сплави  міді з оловом, а також з алюмінієм, свинцем, берилієм, кремнієм, хромом або іншими елементами.  Частка олова у бронзах може становити від 1,25 до 10 %. Серед неметалічних сполук найчастіше до складу бронзи входить фосфор. Типова бронза має склад: 94,65 % — мідь, 5 % — олово, 0,35 % — фосфор. Фосфор надає бронзам додаткової пружності, твердості, та збільшує стійкість до корозії. Температура плавлення бронзи перебуває в межах 990…1190 °С
.                     
5. Бронзи мають хороші ливарні і високі антифрикційні властивості, а також оброблюваність різанням. Більшість бронз мають достатньо високу корозійну стійкість. Вони використовуються при виготовленні арматури газових і водопровідних ліній і в хімічному машинобудуванні, де важлива також висока корозійна стійкість бронз.
Залежно від назви основного легуючого компонента бронзи поділяють на олов'яні, алюмінієві, кремнієві, свинцеві, берилієві і т.д.
Олов’яні бронзи – це сплави міді з оловом та іншими елементами: Zn, Pb, Ni, P. Бронзи з вмістом 6%Sn не піддаються деформуванню і їх використовують у литому стані. Характерною особливістю олов’яних бронз є дуже мала усадка, тому їх використовують для отримання найбільш складних за конфігурацією відливків
Алюмінієві бронзи – це сплави міді з алюмінієм, які додатково можуть бути леговані Ni, Mn, Fe та ін. Вони мають добрі технологічні і механічні властивості. З алюмінієвих бронз виготовляють литтям і обробкою тиском відповідальні деталі машин: шестерні, втулки, фланці.
Кремнієві бронзи – це сплави міді з кремнієм. Їх застосовують як замінник олов’яних бронз. Вони характеризуються більшою усадкою, ніж олов’яні бронзи, вищими корозійною стійкістю і механічними властивостями, а також високою пружністю.
Берилієві бронзи – це сплави міді з берилієм. Вони характеризуються високими механічними, зокрема, пружними властивостями, стійкістю проти корозії. Застосовують берилієві бронзи для виготовлення пружин, мембран, слюсарного інструменту та ін.
Свинцеві бронзи – це сплави міді зі свинцем. Вони використовуються як антифрикційний матеріал у підшипниках ковзання.
Хромові бронзи – це сплави міді з хромом. Вони мають високі механічні властивості, добру електро- і теплопровідність
Цирконієві бронзи – це сплави міді з цирконієм. Вони мають високу електро- і теплопровідність, що наближаються до аналогічних характеристик міді, і жароміцність. Хромові і цирконієві бронзи застосовують у двигунобудуванні.
 За технологічною ознакою бронзи, як інші сплави кольорових металів (алюмінієві, титанові, магнієві сплави), підрозділяють на:
*                    Ливарні  (з ливарних бронз виготовляють переважно арматуру, а також деталі, що працюють в умовах тертя (втулки, вкладки підшипників, вінці черв'ячних коліс).
*                    Деформівні

Бронзи маркуються літерами Бр. Легуючі елементи позначаються початковою літерою назви цього елемента: А — алюміній, Б — берилій, Ж — залізо, К — кремній, Мг — магній, Мц — марганець, Н — нікель, О — олово, С — свинець, Ф — фосфор, Ц — цинк За буквами вказується вміст легуючих елементів у процентах

 Малий коефіцієнт тертя і стійкість до зношування робить бронзи незамінними при виготовленні вкладишів підшипників, черв’яків і черв’ячних коліс, шестерень і інших деталей відповідальних і точних приладів. В локомотивах бронза використовується в підшипниках  колінвалу, турбокомпресорів, нагнітачів повітря.
6. Латуні – це мідні сплави, в яких основним легуючим елементом є цинк. При вмісті цинку до 39% латуні мають високу пластичність, добре оброблюються тиском при низьких і високих температурах. При вмісті Zn>39% латуні мають підвищену міцність і твердість, але низьку пластичність.
 Для підвищення механічних властивостей та хімічної стійкості латуней до них часто додають легуючі елементи: Al, Ni, Mn, Si, Sn тощо. Al, Mn, Fe, Si підвищують міцність і твердість латуні, однак при цьому знижують її пластичність. Al, Mn, Sn, Ni підвищують корозійну стійкість латуней.
                           
За технологічною ознакою латуні поділяються на ті, що деформуються та ливарні. Латуні, що деформуються, використовують для виготовлення виробів і напівфабрикатів обробкою тиском. Ливарні латуні використовуються для фасонного лиття. Це в основному складнолеговані сплави. Легуючі елементи впливають на ливарні властивості латуней по різному. Наприклад, Fe, Mn знижують рідкотекучість, а Sn (до 2,5%) підвищує  її. Використовується  латунь локомотивах -  в корпусах щіткоутримувачів електричних  машин, генераторів.

Домашнє  завдання:

 https://learningapps.org/display?v=pc5sty3vt19     - Знайти сплави міді

https://learningapps.org/display?v=pdcxd7htt19 - Вставити відповідні пропущені
 цифри та слова в позначеннях сплавах, вибравши їх зі списку


Немає коментарів:

Дописати коментар

Підписатися на: Дописи (Atom)