Техника получения современных материалов
§ 2. Получение новых материалов и совершенствование технологии их обработки
Прогресс в промышленности существенным образом зависит от наличия экономичных и высококачественных материалов, удовлетворяющих самым разнообразным требованиям. Одно из основных направлений научно-технического прогресса связано с получением новых материалов и совершенствованием технологии их обработки.
Роль материалов в развитии народного хозяйства непрерывно возрастает, они составляют основу современного технического прогресса. Потребность в новых материалах постоянно растет. Возникают все новые и новые области их применения в промышленности, сельском хозяйстве, быту. Поэтому важно, чтобы выпускники школы были знакомы с основами производства, обработки и использования материалов.
Известно, например, что в 1900 г. для создания самой сложной машины того времени — паровоза — конструкторы могли использовать не более десяти марок сталей и цветных сплавов — таковы были возможности производства материалов и их обработки в то время. В современном же автомобиле используется около ста, в самолете — более трехсот, а в космическом корабле — более тысячи различных марок сталей и цветных сплавов.
Быстрые темпы развития народного хозяйства нашей страны предусматривают необходимость постоянного расширения объема производства материалов, совершенствование технологии их обработки для придания тех физико-механических,.технологических и эксплуатационных свойств, которыми должны обладать современные материалы.
Рис. 11
На рисунке 11 представлена диаграмма объема производства (в млн. т) некоторых основных строительных и конструкционных материалов (чугуна, стали, цемента) в Советском Союзе на конец девятой пятилетки (по сравнению с 1940 г.). В настоящее время в нашей стране производится около двадцати тысяч марок строительных и конструкционных материалов. Наша страна вышла на первое место в мире по производству таких важнейших материалов, как сталь, чугун, прокат черной металлургии, цемент, некоторые виды цветных металлов.
Новая грандиозная программа производства материалов предусмотрена планом развития народного хозяйства в десятой пятилетке.
Рис.12
На рисунке 12 представлена диаграмма прироста производства (в млн. т) основных видов материалов в девятой и десятой пятилетках (по сравнению с 1970 г.).
Основная роль в научном обосновании технологии производства и обработки материалов принадлежит физике твердого тела.
О доминирующей роли материалов в обществе говорят названия исторических эпох — «каменный век», «бронзовый век» и т. д. И чем лучше используется материал, чем меньше затраты на его производство, обработку, тем больше экономия общественного труда, народнохозяйственная выгода.
Изучение основных путей получения и обработки материалов позволяет систематизировать знания школьников о развитии материально-технической базы нашего общества, что необходимо с точки зрения усвоения ими конкретного физического и технического материала курса.
Общая схема предлагаемой систематизации политехнического материала представлена на рисунке 13. Здесь показаны основные вопросы производства, обработки и использования материалов.
Рис. 13
Использование такой схемы позволит учителю систематизировать необходимый политехнический материал и спланировать его изучение в соответствующих разделах курса.
Изучение вопросов получения и обработки материалов в курсе физики преимущественно базируется на знаниях из молекулярной физики. Ниже рассмотрены пути изучения вопросов получения и обработки материалов в курсе физики в соответствии с предлагаемой систематизацией политехнического материала по выбранному направлению технического прогресса.
Производство материалов. Вопросы производства материалов изучаются в основном в курсе химии IX-X классов. Здесь учебная программа предусматривает изучение основных физико-химических свойств черных и цветных металлов и сплавов, химических и строительных материалов, а также разбор технологии их производства. Это создает условия для реализации тесных межпредметных связей при изучении вопросов производства материалов.
Прежде всего необходим единый подход в объяснении основ технологии производства новых материалов. Принципиально возможны два пути создания новых материалов. Один путь — чисто эмпирический — заключается в том, чтобы методом проб и ошибок отобрать естественные вещества и материалы, отвечающие заданным свойствам. (Известно, например, что знаменитый изобретатель Т. А. Эдисон, работая над созданием электрической лампочки, большую часть времени потратил на поиски материала, подходящего для нити накаливания. Он перебрал более 30 тыс. веществ, прежде чем добился успеха.) Однако такой способ неприемлем для создания новых материалов, которые должны использоваться в сложных условиях и удовлетворять совокупности большого числа требований. Комплекс необходимых свойств, как правило, не может быть получен у одного материала. Поэтому в современной технике применяется целый спектр материалов, свойства которых позволяют применять их в различных отраслях народного хозяйства. В связи с этим современной наукой используется другой способ получения новых материалов — управление структурой материала для придания ему нужных свойств.
Каковы же возможности для ознакомления школьников с проблемой современного способа производства материалов на уроках физики?
При изучении молекулярной физики имеется возможность ознакомить учащихся со строением, структурой и свойствами некоторых материалов, с особенностями агрегатных изменений, охарактеризовать не только качественно, но и количественно зависимость физико-механических свойств вещества от его строения. Именно эти сведения лежат в основе получения новых материалов.
Примерное тематическое планирование политехнического материала представлено в таблице 3. В ней содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и работ физического практикума.
Остановимся подробнее на некоторых этапах формирования у школьников политехнических знаний, умений и навыков в соответствии с предлагаемым планированием.
Источник
МАТЕРИАЛЫ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ
Появление новых конструкционных материалов и разработка технологий их получения являются объективной необходимостью технического и социального развития общества. Это видно из краткого перечня основных направлений использования новых перспективных материалов:
o для информационных технологий (оптические и магнитные запоминающие системы, электронные приборы, дисплеи);
o для транспортных средств (автомобилестроение, аэрокосмическая техника, железнодорожный и водный транспорт);
o для тепло- и электроэнергетики (электростанции, системы накопления и распределения энергии, системы хранения и транспортировки топлива, системы для возобновления энергии);
o для станкоинструментальной промышленности;
o для медицинской техники (хирургический инструмент, протезы, имплантанты);
o строительные материалы.
Возрастание требований потребителей к свойствам конструкционных материалов можно свести к следующим показателям:
o повышению удельных механических свойств (прочность, упругость и т.п. в расчете на единицу массы или удельного веса), что должно обеспечивать снижение массы изделий и затрат на их эксплуатацию;
o повышению сопротивляемости материала воздействию рабочей среды (температуры, агрессивности среды, радиационному и пучковому излучению и т.п.);
o повышению долговечности (ресурса службы) материала и его надежности в эксплуатации.
Одним из ведущих высокотехнологических потребителей новых металлических материалов является аэрокосмический комплекс. В этом комплексе новые материалы должны обеспечить повышение безопасности полетов, снижение эксплуатационных расходов, в том числе снижение расхода топлива и загрязнения окружающей среды в процессе эксплуатации летательных аппаратов.
Особенно остро стоит проблема повышения ресурса и экологической чистоты двигателей. В настоящее время в России средний ресурс двигателей составляет около 14000 часов по сравнению с 29000 ч двигателей фирмы “Роллс — Ройс” и 30000 ч у двигателей серии CFM — 56. Двигателями CFM -56 оснащены более 70% мирового парка самолетов вместимостью более 100 мест.
Ответственные задачи стоят перед мировой энергетикой. В ближайшие 20 лет мировое производство электроэнергии должно возрасти в два раза при условии повышения экономичности ее производства и снижения вредного воздействия на окружающую среду, что требует использования новых металлических и неметаллических материалов. В системах распределения (передачи) и хранения энергии (накопители) большая роль отводится сверхпроводникам, работающим при температурах выше 20 К и температурах равных 77 К в сильных и слабых магнитных полях. Эти же сверхпроводники перспективны и для транспорта на магнитных подушках.
В автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. В США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г — 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются в Европе. Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.
На железнодорожном и водном транспорте главными целями развития являются повышение экономичности и экологической безопасности при снижении массы транспортных средств и повышении их энерговооруженности.
Постоянно требуются новые материалы в области информационных технологий, например для компакт — и видеодисков для записи с помощью голубых и зеленых лазеров, что существенно увеличивает емкость дисков. Интенсивно (прирост в год более 50%) развивается производство магнитных запоминающих устройств и продолжается их миниатюризация.
Для достижения вышеуказанных целей разрабатываются новые виды металлических и неметаллических материалов.
Особое внимание уделяется легким цветным металлам и сплавам на их основе; материалам, имеющим мелкодисперсную и ультрамелкодисперсную структуру, монокристаллическим, аморфным и порошковым материалам.
Такие структуры обеспечивают прочностные характеристики иногда на порядок превышающие традиционные значения прочности и придают материалам особые технологические, физические и эксплуатационные свойства.
Материалы с такими структурами служат основой для создания различного рода композиционных материалов, деталей, полученных методами порошковой металлургии и других деталей, обладающих специальными свойствами.
Наиболее часто изделия из указанных металлических и неметаллических материалов изготавливаются методами обработки давлением (прессование, штамповка, выдавливание и т.д.). Поэтому изучение студентами специальности «Обработка металлов давлением» новых металлических и неметаллических материалов, их свойств и возможности применения в различных отраслях народного хозяйства является целесообразным.
1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Исходя из природы конструкционных и инструментальных материалов, их можно разделить на следующие основные группы:
1. Металлические материалы, к которым относятся:
o сплавы на основе железа – чистое железо, стали, чугуны (подробно рассмотрены ранее в курсе «Металловедение»);
o стали и сплавы с особыми физическими свойствами – магнитные и немагнитные стали и сплавы, аморфные сплавы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, сплавы с эффектом памяти формы и т.д.);
o цветные металлы и сплавы – алюминий и сплавы на его основе (деформирующиеся и литейные; упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой), медь и сплавы на ее основе (латуни, бронзы), титан и сплавы на его основе, подшипниковые сплавы и др.
o композиционные материалы с металлической матрицей;
2. Неметаллические материалы:
o полимерные органические материалы – пластмассы (термореактивные и термопластичные), резины;
o композиционные материалы с неметаллической матрицей (стеклопластики, углепластики, оргпластики и др.);
o неорганические материалы (стекло, ситаллы, керамика);
3. Материалы со специальными свойствами — электронные материалы, материалы с особыми оптическими свойствами (волоконная оптика, люминофоры), проводниковые материалы.
Чистое железо — хороший проводниковый материал. Отсюда его применение в радио- и приборостроении. Чистое железо является магнитомягким материалом (легко намагничивается и размагничивается). Получить чистое железо достаточно трудно. По степени чистоты различают технически чистое железо — 0,006 — 0,025% С и химически чистое железо — 0 — 0,006% С.
Стали в свою очередь можно разделить на следующие группы:
· конструкционные стали (углеродистые, легированные, строительные, арматурные, машиностроительные цементуемые и улучшаемые, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, и т.д.);
· инструментальные стали (стали для режущего инструмента, для измерительного инструмента, стали для штампов холодного деформирования, стали для штампов горячего деформирования, твердые сплавы и.т.д.).
Инструментальные стали отличаются от конструкционных более высоким содержанием углерода. Соответственно они имеют более высокую твердость, прочность и более низкую пластичность.
Чугуны можно разделить на белые, серые, ковкие и высокопрочные. Они отличаются друг от друга по структуре и свойствам.
Белые чугуны хрупкие и твердые. Как конструкционный материал, применения не находят. Серые чугуны хорошо работают на сжатие и поэтому применяются для изготовления станин различных станков и другого оборудования. Ковкие чугуны имеют высокую прочность и наряду с этим хорошую пластичность. Применяются ковкие чугуны для деталей, работающих при высоких динамических, статических и вибрационных нагрузках. Высокопрочные чугуны имеют высокую прочность и твердость, хорошие литейные свойства. Применяются для изготовления коленчатых валов, крышек цилиндров, молотовых шаботов, траверс прессов, прокатных валков, корпусов насосов.
Кроме того, возможна классификация конструкционных материалов по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность их применения определяется различными критериями.
В соответствии с выбранным принципом классификации все конструкционные материалы подразделяют на следующие группы:
o материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность (стали);
o материалы с особыми технологическими свойствами;
o износостойкие материалы;
o материалы с высокими упругими свойствами;
o материалы с малой плотностью;
o материалы с высокой удельной прочностью;
o материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды;
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник