Алюминиевые бронзы (БрА7, БрАЖН 10-4-4) обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными. Кремнистые бронзы (БрКМц 3-1) имеют хорошую упругость и поэтому используются для изготовления пружинящих деталей. Свинцовые бронзы (БрСЗО) обладают высокими антифрикционными свойствами и применяются в подшипниках скольжения. Бериллиевые бронзы (БрБ2) отличаются высокой твердостью, прочностью, упругостью и износостойкостью.

6.3 Сплавы других цветных металлов

Магний и его сплавы. Магний - самый легкий металл, используемый в промышленности (плотность - 1,74 г/смі). Имеет гексагональную плотноупакованную решетку и полиморфных превращений не претерпевает. Температура плавления магния - 651°С. Недостатками магния являются низкая прочность и пластичность, низкая коррозионная стойкость, способность к возгоранию при нагреве. Поэтому чистый магний в качестве конструкционного материала не используется.

Свойства магния значительно улучшаются при сплавлении его с другими элементами, основные из которых - алюминий, марганец и цинк. Магниевые сплавы делятся на литейные и деформируемые.

Литейные сплавы маркируются буквами МЛ, а деформируемые - МА. За буквами следует условный номер сплава. Магниевые сплавы, как и алюминиевые способны к упрочняющей термообработке (закалке и старению), но эффект повышения прочности при этом невысок.

Основное преимущество сплавов магния - легкость. Поэтому они применяются в авиа- и ракетостроении. Сплавы магния хорошо свариваются и обрабатываются резанием, но имеют невысокую коррозионную стойкость.

Титан и его сплавы. Титан - легкий (плотность 4,5 г/см³) и пластичный металл серебристо-белого цвета. Температура плавления титана - 1665 °С. Он обладает низкой электропроводностью и теплопроводностью. Механические свойства титана: у_в ? З00 МПа, д = 60…70 %. Главное достоинство титана и его сплавов - высокая коррозионная стойкость. Она достигается за счет образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Недостатки титана - склонность к взаимодействию с газами при температурах выше 500…600°С, плохая обрабатываемость резанием, высокая стоимость.

Главная цель легирования титана - повышение механических свойств. Основными легирующими элементами являются алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец. По технологическому признаку сплавы титана делятся на литейные и деформируемые. Маркируются титановые сплавы чаще всего буквами ВТ. Среди сплавов титана имеются обладающие высокой прочностью (ВТ6, ВТ14 с у_в = 1000…1200 МПа), жаропрочностью до 500 °С (ВТЗ-1, ВТ8). Литейные сплавы титана (ВТ5Л, ВТ6Л) обладают хорошими литейными свойствами.

Используются титановые сплавы в химической промышленности благодаря высокой коррозионной стойкости, в ракетной и авиационной технике благодаря легкости и высокой удельной прочности.

Другие цветные металлы нашли меньшее применение в технике. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, хром, тантал, ниобий) и никель, а также их сплавы используются как жаропрочные. Сплавы легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца) используются в подшипниках скольжения (эти сплавы называются баббиты) и в качестве припоев для пайки металлов. Кроме того, значительная часть цинка расходуется на нанесение покрытий на металлические изделия, олова - на лужение консервной жести, свинца - на изготовление оболочек электрических кабелей, производство свинцовых аккумуляторов, емкостей для хранения радиоактивных материалов.



7. Неметаллические материалы

7.1 Пластические массы

Свойства, состав и классификация пластмасс. Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на основе природных или синтетических полимеров. Пластмассы являются важнейшими современными конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/смі), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звукоизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко формуются, прессуются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс являются низкая теплостойкость, низкая ударная вязкость, склонность к старению для ряда пластмасс.

Основой пластмасс являются полимерные связующие вещества. Кроме связующих в состав пластмасс входят: наполнители для повышения прочности и придания специальных свойств; пластификаторы для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении изделий из пластмасс; отвердители, ускоряющие переход пластмасс в неплавкое, твердое и нерастворимое состояние; стабилизаторы, предотвращающие или замедляющие процесс старения; красители.

По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем еще до охлаждения затвердевают (вследствие протекания химических реакций) и при повторном нагревании остаются твердыми.

По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполнителя.

По способу переработки в изделия пластмассы подразделяются на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатываются в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прессования и являются термореактивными.

По назначению пластмассы делятся на конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и антифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные.

Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали. Текстолит - это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизоляционными свойствами. Теплостоек до 80°С. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. В асботекстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120-140°С. Стекловолокнистый анизотропный матерная (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовляется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляционными свойствами, теплостоек до 200…400 °С.

Волокнистые пластмассы представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты.

В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое волокно. Они используются для относительно крупных деталей общетехнического назначения с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Асбоволокниты имеют наполнителем асбест - волокнистый минерал, расщепляющийся на тонкое волокно диаметром 0,5 мкм.

Обладают теплостойкостью до 200 °С, устойчивостью к ударным воздействиям, химической стойкостью, электроизоляционными и фрикционными свойствами. Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стекловолокно или стеклонити. Прочность, электроизоляционные свойства и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокиитов. Применяются для изготовления деталей, обладающих повышенной прочностью.

Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюлоза) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостыо, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с органическими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения - корпусов приборов, рукояток, кнопок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляционные свойства.

Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми наполнителями имеют чаше всего термореактивные связующие, хотя имеются пластмассы с термопластичными связующими.

Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопластичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них.

Полиэтилен (-СН₂-СН₂-)_n - продукт полимеризации бесцветного газа - этилена. Один из самых легких материалов (плотность 0,92 г/смі), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. Недостатки - склонность к старению и невысокая теплостойкость (до 60 °С). Используется для изготовления пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимает первое место в общем объеме производства пластмасс.

Полипропилен (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n - продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150 °С) и менее морозостоек (до 10 °С).

Поливинилхлорид (-СН₂-СНС₁-)_n используется для производства винипласта и пластиката.

Винипласт представляет собой твердый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов. Обладает высокой прочностью, химической стойкостью, электроизоляционными свойствами. Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость.

Полистирол (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n - твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Его недостатки - низкая теплостойкость, склонность к старению и растрескиванию. Используется в электротехнической промышленности.

Органическое стекло - прозрачный термопластичный материал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптической прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стекол, обладает химической стойкостью. Недостатки - низкая твердость и низкая теплостойкость. Используется для остекления в автомобиле- и самолетостроении, для прозрачных деталей в приборостроении.

Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-СF₂-СF₂)_n водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обладает электроизоляционными и антифрикционными свойствами.

Применяется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, электроизоляции и др.

Фторопласт-3 (-СF₂-СFС₁-)_n по свойствам и применению аналогичен фторопласту-4, уступая ему по термохимической стойкости и превосходя по прочности и твердости.

Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с другом и образуют замкнутые объемы. Они отличаются малой плотностью (0,02…0,2 г/см3), высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов - низкая прочность и низкая теплостойкость (до 60°С). Используются для теплоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых плавучих средств, в качестве легкого заполнителя различных конструкций. Мягкие виды пенопластов используются для изготовления мебели, амортизаторов и т. п.

Поропласты - это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой. Их плотность составляет 0,02…0,5 г/см³. Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением.

7.2 Резиновые материалы

Резина представляет собой искусственный материал, получаемый в результате специальной обработки резиновой смеси, основным компонентом которой является каучук. Каучук - это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы имеют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрямление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьем для производства синтетическою каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехимическое сырье.

Резину получают из каучука путем вулканизации, т. е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре, вулканизатором чаще всею является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образуется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1…5 % серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличением содержания серы сетка становится все более частой, а резина более твердой приблизительно при 30 % серы получается твердый материал, называемый эбонитом.

Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд других веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50 % к массе каучука. Активные наполнители (сажа, оксид цинка и др.) служат для повышения механических свойств резин. Неактивные наполнители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, канифоль и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения эластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, приводящего к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Красители служат для придания резине нужного цвета. В резину также добавляются регенераты - продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин.

Основное свойство резины - очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью обратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлением разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.

По назначению резины подразделяются на резины общего и специального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины, транспортерные ленты, ремни ременных передач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амортизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от -10 до +150 °С.

Резины специального назначения подразделяются на теплостойкие, которые могут работать при температуре до 250…350 °С; морозостойкие, выдерживающие температуру до -70 °С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоностойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к действию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные проводить электрический ток.

7.3 Древесные материалы

Древесина - это органический матерная растительного происхождения, представляющий собой сложную ткань древесных растений. Она составляет основную массу ствола деревьев. Древесина является волокнистым материалом, причем волокна в ней расположены вдоль ствола. Поэтому для нее характерна анизотропия, т.е. ее свойства вдоль и поперек волокон различны.

Достоинствами древесины являются относительно высокая прочность; малая объемная масса и, следовательно, высокая удельная прочность; хорошее сопротивление ударным и вибрационным нагрузкам; малая теплопроводность и, следовательно, хорошие теплоизоляционные свойства; химическая стойкость; хорошая технологичность (легкость обработки и изготовления изделий). К недостаткам древесины следует отнести гигроскопичность, т.е. способность впитывать влагу, и возникающую из-за изменения влажности нестабильность свойств и размеров (усушка и набухание), а также отсутствие огнестойкости, неоднородность строения, склонность к гниению.

Для защиты древесины от увлажнения, загнивания и воспламенения производят окраску лаками и красками, опрыскивание и пропитку специальными химическими веществами. Материалы из древесины можно разделить на лесоматериалы, сохраняющие природную физическую структуру и химический состав древесины, и древесные материалы, полученные путем специальной обработки исходной древесины. В свою очередь лесоматериалы подразделяются на необработанные (круглые), пиломатериалы, лущенные (древесный шпон) и колотые.

Круглые лесоматериалы получают из спиленных деревьев после очистки от ветвей, разделения поперек ствола на части требуемой длины и окорки. Они применяются в строительстве, в качестве опор и столбов линий электропередач, в качестве сырья.

Пиломатериалы получают лесопилением. Пиломатериалы с опиленными кромками называют обрезными, неопиленными - необрезными. Подвергающиеся после пиления дальнейшей обработки называют стругаными. Пиломатериалы делятся в зависимости от поперечного сечения на следующие виды: брусья (толщина или ширина больше 100 мм), бруски (ширина не более двойной толщины), доски (ширина более двойной толщины), планки (узкие и тонкие доски).

Древесный шпон - это широкая ровная стружка древесины, получаемая путем лущения. Толщина листов шпона 0,5…1,5 мм. Используется шпон в качестве полуфабрикатов для изготовления фанеры, облицовочного материала для изделий из древесины.

К материалам, полученным путем специальной обработки древесины можно отнести фанеру, прессованную и модифицированную древесину, древесностружечные и древесноволокнистые плиты и др.

Фанера - это листовой материал, полученный путем склейки листов шпона. При этом волокна соседних листов находятся под прямым углом друг к другу. Толщина фанеры от 1 до 12 мм, более толстые материалы называют плитами. Столярные плиты представляют собой трехслойные щиты, состоящие из реечного заполнителя, оклеенного с обеих сторон древесным шпоном. Прессованная древесина - это материал, получаемый при горячем прессовании брусков, досок и других заготовок поперек волокон под давлением до 30 МПа. В результате прочность возрастает по сравнению с исходной более чем в два раза.

Модифицированная древесина представляет собой материал, полученный при обработке древесины каким-либо химическим веществом (смолой, аммиаком и др.) с целью повышения механических свойств и придания водостойкости. Древесно-стружечные плиты изготовляют прессованием древесной стружки со связующим. Плиты могут быть облицованными шпоном, фанерой или бумагой. Древесноволокнистые плиты изготовляют путем прессования древесных волокон при высокой температуре, иногда с добавлением связующих веществ.

7.4 Неорганические материалы

Стеклом называется твердый аморфный термопластичный материал, получаемый переохлаждением расплава различных оксидов. В состав стекла входит стеклообразующие кислотные оксиды (SiO₂, А₁₂О₃, В₂О₃ и др.), а также основные оксиды (К₂О, СаО, Na₂О и др.), придающие ему специальные свойства и окраску. Оксид кремния SiO₂ является основой практически всех стекол и входит в их состав в количестве 50 … 100 %. По назначению стекла подразделяются на строительные (оконные, витринные и др.), бытовые (стеклотара, посуда, зеркала и др.) и технические (оптические, свето- и электротехнические, химико-лабораторные, приборные и др.).

Важными свойствами стекла являются оптические. Обычное стекло пропускает около 90 %, отражает - 8 % и поглощает - 1 % видимого света. Механические свойства стекла характеризуются высоким сопротивлением сжатию и низким - растяжению.

Термостойкость стекла определяется разностью температур которую оно может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства стекол термостойкость колеблется от 90 до 170°С, а для кварцевого стекла, состоящего из чистого SiO₂- 1000°С. Основной недостаток стекла - высокая хрупкость.

Керамика - это неорганический минеральный материал, получаемый из отформованного минерального сырья путем спекания при высоких температурах (1200…2500 °С). Структура керамики состоит из кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой фазы.

Криcталлическая фаза является основой керамики, ее количество соcтавляет до 100 %. Она представляет собой различные химические соединения и твердые растворы. Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла. Ее количество составляет до 40 %. Она снижает качество керамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики.

По назначению керамика может быть разделена на строительную, бытовую и художественно-декоративную, техническую. Строительная (например, кирпич) и бытовая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре газонаполненные поры и изготовляется из глины. Техническая керамика имеет почти однофазную кристаллическую структуру и изготовляется из чистых оксидов (реже карбидов, боридов или нитридов). Основные оксиды, используемые для производства керамики - А₁₂О₃, ZnО₂, МgО, СаО, ВеО. Техническая керамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении. Главный недостаток керамики, как и стекла - высокая хрупкость.

Ситаллы представляют собой материалы, полученные путем кристаллизации стекол. Ситаллы изготовляют путем плавления стекольного материала с добавкой катализаторов кристаллизации. Далее расплав охлаждается до пластического состояния и из него формуются изделия. Кристаллизация обычно происходит при повторном нагревании изделий.

По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зерен кристаллической фазы, скрепленных стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы составляет 30…95 %. Пористость отсутствует. Ситаллы характеризуются исключительной мелкозернистостью. По внешнему виду могут быть прозрачными и непрозрачными.

Структура ситаллов определяет их свойства. Ситаллы имеют высокую твердость, высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладают жаропрочностью до 900…1200°С, жаростойкостью, износостойкостью.

Они характеризуются высокой химической стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Ситаллы отличаются хрупкостью, однако меньшей, чем стекло. Применяются ситаллы для деталей, работающих при высоких температурах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инструментов.

7.5 Композиционные материалы

Композиционными называют сложные материалы, в состав которых входят отличающиеся но свойствам нерастворимые друг в друге компоненты. Основой композиционных материалов является сравнительно пластичный материал, называемый матрицей. В матрице равномерно распределены более твердые и прочные вещества, называемые упрочнителями или наполнителями. Матрица может быть металлической, полимерной, углеродной, керамической. По типу упрочнителя композиционные материалы делятся на дисперсноупрочнённые, в которых упрочнителем служат дисперсные частицы оксидов, карбидов, нитридов и др., волокнистые, в которых упрочнителем являются волокна различной формы и слоистые, состоящие из чередующихся слоев волокон и листов матричного материала.

Среди дисперсноупрочненных материалов ведущее место занимает САП (спеченная алюминиевая пудра), представляющий собой алюминий, упрочненный дисперсными частицами оксида алюминия. Получают САП из окисленной с поверхности алюминиевой пудры путем последовательного брикетирования, спекания и прессования. Структура САП состоит из алюминиевой основы с равномерно распределенными частицами А1₂О₃. С увеличением содержания А1₂О₃ повышается прочность, твердость, жаропрочность САП, но снижается его пластичность. Марки САП-1, САП-2, САП-3, САП-4 содержат, соответственно, 6…8, 9…12, 13…17, 18…22 % А1₂О₃. Высокая прочность САП объясняется большой дисперсностью упрочнителя и малым расстоянием между его частицами. По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы.

В волокнистых композиционных материалах упрочнителем служат углеродные, борные, синтетические, стеклянные и др. волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений (карбиды кремния, оксиды алюминия и др.) или металлическая проволока (стальная, вольфрамовая и др.). Свойства материала зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Для металлических композиционных материалов прочная связь между волокном и матрицей достигается благодаря их взаимодействию. Связь между компонентами в композиционных материалах на неметаллической основе осуществляется с помощью адгезии. Повышение адгезии волокон к матрице достигается их поверхностной обработкой. Производится осаждение нитевидных кристаллов на поверхность волокон. При этом получаются «мохнатые» волокна с улучшенной адгезией, благодаря чему улучшаются механические свойства композиционного материала.

Среди неметаллических волокнистых композиционных материалов наибольшее распространение получили материалы с полимер- ной матрицей. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя углеродные волокна, называются карбоволокнитами. Они обладают низкими теплопроводностью и электропроводностью, хорошей износостойкостью. Недостаток кабоволокнитов - низкая прочность при сжатии и сдвиге. Материалы с упрочнителем в виде волокон бора называют бороволокнитами. Они характеризуются высокой прочностью при растяжении, сжатии и сдвиге, высокими твердостью и модулем упругости, тепло- и электропроводностью. Материалы, содержащие в качестве упрочнителя синтетические волокна (капрон, лавсан и др.), называются органоволокнитами. Они обладают высокой удельной прочностью в сочетании с хорошей пластичностью и ударной вязкостью, электроизоляционными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы на металлической основе имеют более высокие характеристики, зависящие от свойств матрицы. В качестве матрицы используются металлы, имеющие небольшую плотность (алюминий, магний, титан), их сплавы, а также никель для создания жаропрочных материалов. В качестве упрочнителя используют стальную проволоку (наиболее дешевый материал), борные и углеродные волокна. При создании жаропрочных композиционных материалов на основе никеля используется вольфрамовая проволока.



7.6 Цемент и бетон

В нефтегазовом деле широко применяются цементные смеси и бетон. Так цементные смеси применяют для цементирования скважин а бетон для строительства фундаментов.

Цемент представляет собой порошкообразное вещество, относящееся к классу неорганических.

Цемент производят при помоле клинкера, который, в свою очередь, получают путем обжига при высоких температурах глины и извести, взятых в определенных пропорциях. К порошку могут добавляться различные минеральные вещества, пластификаторы для улучшения свойств и т.д. Главная функция цемента - качественное скрепление конструктивных элементов создаваемых конструкций и возводимых зданий.

Бетоном называют смесь из вяжущего вещества и заполнителя. Вяжущее это состав способный с течением времени твердеть. В этом качестве способен выступать не только цемент. Гипс, известь, магнезитовые вяжущие, обычная глина, полимерные составы, все это используется для приготовления бетонных смесей. Широко известный асфальтобетон готовится на основе битума. В практике строительства нефтегазовых скважин применяется бетон на цементной основе.

Бетонные растворы используют для заливки полов и разных конструкционных элементов, монолитного строительства, производства тех или иных изделий и т.д. металл нефтегазовое дело химический

В составе цемента работают несколько составляющих на молекулярном уровне. Материал представляет собой тонкий порошок серого цвета, а вот компоненты в его химической формуле есть разные и отвечают за те или иные процессы в бетоне.

Материалы, составляющие основу цемента:

· Клинкер из глины и извести - от его качества зависят прочность и другие свойства материала.

· Минеральные компоненты - специальные добавки для улучшения характеристик, расширения сферы использования цемента. Это могут быть измельченные сланцевые материалы, гранулированные шлаки, пуццолановые ингредиенты, известь и т.д.

· Вспомогательные компоненты с сульфатом кальция - для регулирования особенностей прохождения процесса гидратации.

· Специальные присадки - синтетические компоненты, повышающие стойкость к кислотам, температурам, агрессивным средам, щелочам.

Одной из разновидностей цементов является портландцемент. Это молотый цементный клинкер, который дополнен гипсом (содержание не превышает 5% от общего объема образца) и рядом функциональных добавок (их доля в составе - от 0 до 25%). Гипсовый компонент способствует среди прочего увеличению рабочего времени того или иного раствора до 45 минут. Отличительной чертой состава является высокое содержание силиката кальция. Показатель достигает 70-80%. Портландцемент группе цементов обладает самыми высокими прочностными показателями.

Как работает любой вид цемента:

· При затворении водой превращается в вязкую пасту.

· Цвет меняется со светло-серого на темный.

· Смесь быстро набирает твердость во влажной и теплой воздушной среде.

Смесь в течение 28 дней (как правило) набирает прочность и постепенно превращается в искусственный камень с очень высокими характеристиками прочности, стойкости. Свойства цемента могут быть разными, зависят от массы факторов: вида самого вяжущего, наличия добавок, особенностей и условий применения, соблюдения технологии замеса и укладки.

Основные показатели, которые учитывают при выборе цемента:

· Прочность - обозначается маркой и буквой М (чем выше рядом число, тем выше прочность: к примеру, М400 говорит о том, что камень может выдержать нагрузку в 400 кг/см2). Также считается в классах (буква В и рядом двухзначное число, которое отображает нагрузку, что может выдержать материал, в МПа).

· Морозостойкость - важная характеристика, считается в количестве циклов заморозки/оттаивания.

· Стойкость к коррозии - способность противостоять негативному влиянию окружающей среды. Самый стойкий пуццолановый цемент, его используют для возведения подземных/подводных объектов.

· Водостойкость - способность схватываться в воде, а также выдерживать при необходимости воздействие воды и влаги.

· Сульфатостойкость - способность выдерживать воздействие воды с сульфат-ионами, что важно при строительстве гидросооружений, которые соприкасаются с соленой водой.

· Тонкость помола - оказывает влияние на период затвердевания и прочность. Чем более мелко смолот порошок, тем прочнее получится бетон.

Дополнительные свойства могут обеспечиваться специальными добавками в составе порошка, объем которых производитель всегда указывает на упаковке в маркировке и описании.

Марки цемента обозначаются буквой М и цифрами от 25 до 1000. Самые распространенные марки - М100, М200, М300, М400 и М500. Остальные применяются для конкретных задач и намного реже. Самые универсальные и прочные марки цемента - М400 и М500. Как было указано выше, цифры рядом с индексом говорят о нагрузке в кг/см², которую может выдержать застывший камень.

Кроме прочности, маркировка цемента может представлять много другой важной информации. В первую очередь, обращают внимание на буквы:

· ПЦ - портландцемент.

· ШПЦ - шлако-портландцемент.

· Б - быстротвердеющий состав.

· СС - вяжущее с сульфатостойкими свойствами.

· ПЛ - цемент уже с пластификатором в составе.

· Н - нормированный, цемент с подтвержденной прочностью.

· ВРЦ - водонепроницаемый цемент (применяется в возведении гидротехнических сооружений).

Также по ГОСТу 31108 указывают наличие добавок в порошке: I обозначает, что добавок нет; II - в цементе есть минеральные компоненты. Объем добавок обозначается буквами: А - 6-20% минкомпонентов, Б - 21-35%. Добавками могут выступать пуццолан, шлак, полимеры и т.д. Скорость твердения также обозначается буквами: Н - нормально твердеющее вяжущее, С - скорость средняя, Б - быстротвердеющие смеси.

Добавки в цементе также индексируются буквой Д и цифрами, отображающими процент содержания. Д0 - добавок нет, Д20 - в состав цемента включено 20% добавок, в результате чего вещество получается более пластичным. Общее правило такое: чем выше марка, тем больше прочность; чем выше процент добавок, тем эластичнее цемент (но при критичном содержании прочность может падать).

Наиболее востребованные марки цемента:

· М100, М200, М300 - производство разных элементов и изделий с нужными характеристиками.

· М400 - применяются при заливке сборного/монолитного железобетона.

· М500 - актуален для производства гидротехнических конструкций и плит, которые находятся в воде переменного уровня, для заливки бордюров и тротуаров, фундаментов всех видов.

· М600 - бетонирование сборных конструкций повышенного качества.

· М700 - работа с постройками, где отмечены высокие нагрузки и зоны напряжения.

В Приложении 2 приведены цементы, применяемые для приготовления тампонажных растворов при бурении скважин.



8. Экономические проблемы использования материалов

8.1 Экономически обоснованный выбор материала

Правильный выбор материала для конкретного изделия является исключительно важной задачей. Он производится с учетом целого ряда критериев. При этом технические критерии выбора материала определяются условиями эксплуатации изделия. Они определяют комплекс механических свойств (прочность, упругость, твердость, пластичность, вязкость), а в ряде случаев и требования к специальным свойствам (коррозионная стойкость, жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиоционная стойкость и др.). Способ изготовления изделий определяет требования к технологическим свойствам материала (ковкость, литейные свойства, обрабатываемость резанием, свариваемость). Если изделие должно подвергаться термической обработке, следует также учитывать прокаливаемость и закаливаемость.

Приведенные требования накладывают определенные ограничения на выбор материала. Если они оказываются достаточно жесткими, то возможный выбор ограничивается весьма узкой группой материалов. При меньшей жесткости требований выбор становится более широким. В любом случае, когда возможны различные варианты решения задачи выбора материала, окончательный ответ должен дать экономический анализ вопроса. Исходными данными для этого служат цены материалов. Однако выбор наиболее дешевого материала далеко не всегда будет оптимальным. Экономия также может быть получена за счет следующих факторов.

1. Использование более прочного материала. Это дает возможность уменьшить размеры изделия, т. е. позволяет снизить расход материала на единицу готовой продукции. Уменьшение размеров также способствует снижению затрат на транспортирование изделий. Кроме того, появляется возможность повысить мощность и производительность оборудования, изготовленного из более прочных материалов.

2. Применение более технологичного материала, позволяющего применять более экономичные методы изготовления и обработки изделий. При этом экономия может быть получена как непосредственно за счет снижения себестоимости изготовления, так и за счет снижения расхода материала благодаря уменьшению отходов и брака.

3. Применение материала с более длительным сроком службы, что приводит к повышению долговечности готового изделия.

4. Использование материалов, способных работать в более тяжелых условиях (при более высоких нагрузках, более высоких температурах, в более агрессивной среде). Применение таких материалов при изготовлении различных машин и оборудования позволяет изменить рабочие параметры машин (например, повысить давление или температуру), что приводит к повышению производительности и, соответственно, снижению себестоимости единицы работы или продукции.

Перечисленные факторы связаны, прежде всего, с повышением качества используемого материала. Более качественный материал, как правило, является и более дорогостоящим, так как улучшение качества сопровождается увеличением затрат на производство материала. Правильный выбор материала должен учитывать как экономический эффект от повышения качества, так и увеличение стоимости материала. Для этого производится сравнительный расчет экономической эффективности применения различных материалов, по результатам которого и делается окончательный выбор. Только если увеличение цены перекрывается полученным экономическим эффектом, применение более дорогостоящего материала целесообразно. Методика определения экономической эффективности здесь не рассматривается, так как является предметом специальных курсов. Приведем некоторые примеры.

Для строительных конструкций могут быть применены как углеродистые, так и низколегированные стали (см. раздел 5.1.). Низколегированные стали обеспечивают повышение предела текучести приблизительно в 1,5 раза по сравнению с углеродистыми. Благодаря этому масса конструкций снижается на 20…50 %.

При этом себестоимость проката из низколегированных сталей на 10…15 % выше, чем из углеродистых. Отсюда видно, что себестоимость низколегированных сталей возрастает в меньшей степени, чем достигается экономия из-за увеличения прочности. Но не только этим обусловлена эффективность применения низколегированных сталей. В отличие от углеродистых сталей, они не склонны к хрупким разрушениям при температуре ниже - 40 °С. Это обеспечивает высокую надежность и долговечность конструкций. Таким образом, применение низколегированных строительных сталей экономически выгодно.

В хромоникелевых коррозионных сталях при эксплуатации при 450…850°С развивается межкристаллитная коррозия (см. раздел 5.2.). Для уменьшения склонности к коррозии стали дополнительно легируются титаном или в них снижают содержание углерода. Это делает сталь более дорогостоящей. Однако удорожание оправдывается значительно более длительным сроком службы таких сталей. В том случае, когда рабочая температура не превышает 400°С, использование более дорогостоящих статей становится экономически не оправданным.

Целесообразность применения пластмасс диктуется техническими соображениями. Свойства пластмасс с одной стороны делают их незаменимыми, а с другой часто не позволяют им конкурировать с металлическими материалами. Если же применение пластмасс по техническим соображениям, возможно, оно обычно является экономически эффективным. Благодаря малой плотности пластмассы в 4 раза снижается материалоемкость изделий. Затраты на производство пластмассовых изделий значительно меньше, чем на производство металлических. Это происходит вследствие хорошей технологичности пластмасс: производство пластмассовых изделий происходит путем прессования, литья или выдавливания, а металлические изделия производятся литьем или обработкой давлением, путем механической и термической обработки с большим числом операций. Часто применение пластмасс в машинах и оборудовании приводит к уменьшению затрат на смазку, ремонт, повышению надежности, увеличению срока службы и т. д. Благодаря всему этому себестоимость пластмассовых изделий в 2…3 раза ниже себестоимости аналогичных металлических.

8.2 Основные направления экономии материалов

Доля стоимости материалов составляет от 40…70% всех затрат на изготовление готовых изделий. А для изделий, производство которых широко механизировано и автоматизировано (шарикоподшипники, болты, электрокабели), эта доля доходит до 80 %. Поэтому экономия материалов - один из важнейших резервов снижения себестоимости готовой продукции. Еще более важен тот факт, что запасы сырья для производства материалов (различные руды для металлов и сплавов, нефть и газ для полимерных материалов и др.) являются ограниченными. Отсюда ясно, что экономия и повышение эффективности использования материалов являются насущной задачей.

Огромное количество материалов теряется в процессе производства готовых изделий. В нашей стране вследствие устаревших методов разливки стали из каждой ее тонны получалось примерно 750 кг готового проката, а далее в машиностроении из каждой тонны проката около 250 кг уходило в отходы. Потери материала при производстве изделий характеризует коэффициент использования материала, представляющий собой отношение массы готового изделия к массе заготовки. Для профильного проката он составляет 0,7; прутков - 0.35; горячей штамповки - 0,45 и свободной ковки - 0,3. Более высокий коэффициент использования материала характерен для литейного производства: для литья в песчаные формы оно составляет 0,7; литья в кокиль - 0,75; в оболочковые формы - 0,8; литья по выплавляемым моделям - 0,9 и литья под давлением - 0,95. Очень высок коэффициент использования при изготовлении изделий из металлических порошков. Благодаря хорошей технологичности пластмасс для них коэффициент использования материала выше, чем для металлов и сплавов: при прессовании он равен 0,9; при литье и выдавливании - 0,95. Из приведенных данных ясно, что основной путь экономии материала в процессе производства изделий - использование современных малоотходных и безотходных технологий: непрерывной разливки стати, малоотходных методов штамповки, специальных способов литья, методов порошковой металлургии. Другое направление экономии материалов - максимальное использование, вторичных ресурсов. Это не только экономическая, но и экологическая задача, так как скопление отходов наносит огромный вред окружающей среде.

Однако следует иметь в виду, что переработка отходов не всегда является технически выполнимой или экономически рентабельной. Использование металлолома в производстве металлов и сплавов не вызывает технических трудностей и экономически выгодно. Производство стали из металлолома обходится в несколько раз дешевле, чем из чугуна. Кроме того, каждая тонна металлолома экономит 1,5 тонны железной руды. Производство цветных металлов из вторичного сырья также высокоэффективно. На производство тонны алюминия из металлолома затрачивается приблизительно в 20 раз меньше электроэнергии и в 7 раз меньше топлива. Используются отходы и других цветных металлов. Большая часть металлолома - это промышленные отходы и пришедшие в негодность машины и оборудование. С экологической точки зрения важно также осуществлять переработку металлосодержащих шлаков, находящихся в отвалах и терриконах.

Значительно хуже обстоит дело с повторной переработкой пластмасс. Экологическая проблема заключается в том, что полимерные отходы разлагаются очень медленно или совсем не разлагаются. Некоторые виды пластмасс (термореактивные) вообще не поддаются вторичной обработке. Если же их сжигать, то это вызовет значительное загрязнение атмосферы. Из пластмасс, вторичное использование которых возможно, каждый вид требует своего способа переработки. Поэтому необходимо сортировать отходы по типу пластмасс. Это практически неосуществимо: на глаз распознать тип пластмассы очень трудно, а точный анализ был бы очень дорог. Возможно использование измельченных отходов пластмасс, независимо от их вида, в качестве наполнителя при производстве строительных материалов и дорожных покрытий. Сказанное не относится к тем случаям, когда тип пластмасс известен (например, отходы пластмасс, получаемые непосредственно при производстве изделий). В этом случае осуществляется их переработка.

Из неметаллических материалов, вторичная переработка которых не вызывает серьезные трудности, отметим стекло. Кроме того, стеклянная посуда может собираться и использоваться повторно. Резиновое вторсырье перерабатывается и добавляется в резину при ее производстве.

Огромные потери металлических материалов вызывает коррозия, которая приводит к долгосрочному выходу из строя изделий и сооружений. Ежегодно от коррозии теряется количество металла, равное 10 % от выплавляемого. Поэтому важнейшее направление экономии металлических материалов - правильная защита их от коррозии. Радикальный метод-- применение коррозионностойких (нержавеющих) сталей. Однако следует иметь в виду, что они в 4…8 раз дороже обыкновенных углеродистых сталей. Поэтому в каждом случае надо применять соответствующий метод защиты от коррозии (см. раздел 5.2.).

Значительные потери материалов вызывает износ. При этом происходит выход из строя элементов машин, работающих в условиях трения, что вызывает дополнительные материальные потери, связанные с ремонтом техники. Борьба с износом - один из путей экономии материалов. Она заключается в использовании износостойких и антифрикционных материалов как металлических, так и неметаллических; правильном применении смазочных материалов; повышении износостойкости термической, химико-термической обработкой и поверхностным деформированием (см. раздел 4.З); наплавке на поверхность изделия износостойкого слоя; нанесении износостойких покрытий.

Значительную экономию материалов может принести снижение материалоемкости изделий. Удельная материалоемкость многих видов отечественных машин и оборудования на 15…25 % выше, чем у лучших мировых образцов. По этой причине допускается большой перерасход материала. К способам снижения материалоемкости следует отнести рациональное конструирование и расчет изделий с использованием компьютера; правильный выбор материала; использование технологий производства изделия, снижающей материалоемкость (например, в свое время, переход от клепки к сварке сэкономил 20 % стали в каждом изделии).

Важный путь снижения материалоемкости - увеличение единичной мощности машин и оборудования. Дело в том, что для более крупного оборудования материалоемкость (на единицу вырабатываемого продукта) значительно ниже. Так, например, у паровой турбины мощностью 200МВт материалоемкость составляет 2,8 кг/кВт, а у турбины мощностью 800МВт…1,63 кг/кВт.

Однако радикального снижения материалоемкости можно добиться за счет использования достижений научно-технического прогресса, т. е. при внедрении принципиально новых технических решений. Приведем несколько примеров из недавнего прошлого, где новый принцип работы дал значительный эффект. Планетарная передача вместо цилиндрической зубчатой передачи экономит до 80 % материала. Сушилка с кипящим слоем экономит до 80 % материала. Дисковые тормоза вместо колодочных в автомобилестроении экономят до 50 % материала.



Практическая работа №1

Ознакомление с методиками измерения твердости.

Цель работы: ознакомление с методикой проведения испытаний на твердость Роквеллу и Бринелю.

Твердость металлов - это показатель, который означает устойчивость стали к механическому воздействию других более твердых материалов. Оцениваются показатели в единицах твердости, на основе которых делается вывод о состоянии материала.

Твердость металлов важно учитывать в большинстве видов работы с ними. Например, когда на производстве изготавливаются объемные конструкции с большим весом, где применяются несколько типов металлов, важно знать, что они будут оптимально взаимодействовать и успешно выдерживать большую нагрузку.

Для определения твердости в металл вдавливается индентор - тело, изготовленное из твердого сплава или алмаза, которое обладает наилучшим показателем сопротивления к механическим воздействиям. Чем большую силу вдавливания выдерживает металл, тем его твердость больше.

Прямые методы.

Классические способы измерения твердости представляют собой принципы, которые изобретались известными ученными и успешно проявляли себя в исследованиях на протяжении многих лет. Благодаря ним человечество сегодня имеет возможность пользоваться ископаемыми и успешно внедрять их в жизнь.

В измерении принимают участие специальное оборудование, которое устанавливается стационарно и дает большую нагрузку на материал с помощью индентора.

Способ Бринелля.

Твердость металла на основе этого принципа измеряется с помощью специального твердомера. К его оправке крепится индентор из алмаза или прочного сплава в форме шарика определенного диаметра. Под заданной нагрузкой шар воздействует на металл в течение установленного времени.

После манипуляций на поверхности материала остается отпечаток индентора. На основе измерения его диаметра и площади выносится результат исследования и металлу присваивается определенный результат. Далее эта информация позволит успешно использовать материал или наоборот, убрать его из производства.

Рис. 18. Методы определения твердости

Единственный недостаток такого метода - отсутствие мобильности оборудования для измерения. Исследования можно проводить только на месте. При установке учитывается уровень поверхности пола и другие показатели, которые могу влиять на результат эксперимента.

Метод Роквелла.

Основа принципа проверки заключается на твердости, которая определяется различием между глубиной углубления индентора, а также остаточным показателем проникновения под установленной нагрузкой. При этом показатели измеряются при сохранении предварительной нагрузки.

В методе исследования используется закаленный шарик или алмазный конус в качестве индентора. В отличие от предыдущего принципа, твердость исследуется на основе глубины лунки, а не ее площади.

Показатель измеряется в результате вдавливания, что позволяет получить максимально точный результат. Нагрузка дается поэтапно, согласно государственным стандартам. Сначала дается небольшое воздействие, после чего основное усилие. Современные твердомеры измеряют различие между глубиной лунок, которые получаются после вдавливания наконечника под предварительным и основным усилием.

...