Курс лекций по дисциплине "Материаловедение"

Fe(OH)3 – гидрат окиси железа.

Со временем Fe(OH)3→Fe2O3·3H2O – ржавчина.

По характеру разрушения коррозию подразделяют на

- сплошная;

- избирательная или местная;

Сплошная коррозия - вид разрушительных процессов, охватывающий всю площадь поверхности металла.

Сплошную коррозию разделяют на два типа:

- равномерную (При равномерной коррозионные процессы проходят по всей поверхности с одинаковой скоростью);

- неравномерную (Неравномерная коррозия характеризуется различной скоростью разрушений в отдельных зонах металла.).

Местная коррозия - местная коррозия развивается на отдельных участках поверхности и проявляется в виде пятен и язв. Она протекает быстрее, чем общая, и опасна тем, что может привести к потере прочности отдельных деталей.

Местная коррозия ( в зависимости от степени развития)

- точечная коррозия (питтинг) - такому типу коррозийных повреждений подвержены хромоникелевые стали и хромистые , алюминий и его сплавы, цирконий, титан и никель, которые находятся под воздействием натриевых растворов, морской воды, раствора хлорного железа, а также смесей различных типов кислот,

- коррозия пятнами,

- сквозная коррозия. 

 

Способы защиты.

1. Изоляция металлической поверхности от агрессивной среды. Наиболее распространенной здесь является технология нанесения на изделие химически инертного вещества, которое не вступает во взаимодействие ни с основным материалом изделия, ни с окружающим пространством. В данном случае могут использоваться различные лаки, краски, мастики и прочие материалы. 
   Металлическая поверхность для предотвращения коррозии также может обрабатываться другими металлами, обладающими более высокой стойкостью в конкретных условиях. Сюда относятся, к примеру, различные виды оцинковки и никелирования.  
   Изделия могут обрабатываться растворами окислителей (так называемых пассиваторов) для того, чтобы поверхностный слой металла перешел из активного состояния в пассивное (менее склонное к коррозии).

2. Повышение химической сопротивляемости конструкционных материалов. Данный способ подразумевает удаления из металла компонентов, ускоряющих коррозионные процессы, или наоборот, введение примесей, замедляющих их. В металлообработке процедура внедрения новых элементов называется легированием. Проводится она на этапе производства металла, а также при механической или термической обработке деталей. Наиболее известным легированным сплавом является нержавеющая сталь, получаемая путем внедрения в исходный материал хрома и никеля.

3. Дезактивация агрессивной среды. Обычно она выполняется посредством введения в пространство, окружающее защищаемые металлоизделия, ингибиторов, то есть специальных веществ, замедляющих коррозионные процессы. Данные вещества адсорбируются на поверхности металла, за счет чего приостанавливается или замедляется процесс его коррозии. Кроме этого, к данному способу относится удаление из среды агрессивных компонентов. Для этого может проводиться, к примеру, осушение воздуха и очистка его от примесей.

4. Активная (электрохимическая) защита путем наложения внешнего тока. Осуществляться она может несколькими способами. Так, катодная поляризация подразумевает контакт изделия с металлом, имеющим более высокий отрицательный электродный потенциал (например, стальная деталь и магниевая отливка). В данном случае окислению подвергается именно магний, называемый протектором. По мере разрушения отливку заменяют новой. Анодная поляризация в отдельных случаях позволяет искусственно поддерживать металл в пассивном состоянии. Этот метод наиболее востребован в тех ситуациях, когда изделию необходимо работать в агрессивной среде, не позволяющей выполнить пассивацию иным способом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Занятие 6. (2 часа!)

Пластмассы и их разновидности.  Асбестоцементные, керамические материалы и изделия из них

Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических или естественных (природных) полимеров (смол). 

В зависимости от природы полимера и характера его перехода из вязкотекучего в стеклообразное состояние при формовании изделий пластмассы делят на:

• Термопласты (термопластичные пластмассы) (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.) — при нагреве расплавляются, а при охлаждении возвращаются в исходное состояние;

• Реактопласты (термореактивные пластмассы) — после отверждения не могут переходить в вязкотекучее состояние. Рабочие температуры выше, но при нагреве разрушаются и при последующем охлаждении не восстанавливают своих исходных свойств.

Также газонаполненные пластмассы — вспененные пластические массы, обладающие малой плотностью.

В полимер с различной целью могут вводиться наполнители, стабилизаторы, пигменты, могут составляться композиции с добавкой органических и неорганических волокон, сеток и тканей.

В большинстве своем пластмассы состоят из

- смолы (связующего полимера),

- наполнителя,

- пластификатора,

- стабилизатора,

- красителя и других добавок, улучшающих технологические и  эксплуатационные свойства пластмассы. Свойства полимеров могут быть  в значительной степени улучшены  и изменены, в зависимости от  требований, предъявляемых различными  отраслями техники, с помощью  различных составляющих пластмассы.

Связующие полимеры – основа пластмасс, определяющая их свойства. Это природные и искусственные (синтетические) полимеры – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из многократно повторяющихся звеньев.

Термоактивные полимеры – при действии теплоты и давления затвердевают и не размягчаются при повторном нагревании. (эпоксидные, фенолформальдегидные, карбамидные полимеры).

Термопластичные полимеры – размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении.

Наполнители – порошкообразные, волокнистые, слоистые. Увеличивают прочность, теплостойкость, долговечность, ударную вязкость, а так же снижают стоимость.

Пластификаторы – вещества, добавляемые в пластмассы для улучшения их пластических свойств (снижение хрупкости, облегчение переработки) – дибутилфосфат, камфора, олеиновая кислота.

Красители – придают пластмассам определённый цвет. В качестве красителей используют органические и минеральные (охра, сурик, мумия и др.) пигменты, не изменяющиеся с течением времени под действием света.

Отвердители – сокращают время отверждения пластмасс.

Стабилизаторы – повышают долговечность изделий.

Асбестоцементные, керамические материалы и изделия из них

В природе существует две разновидности асбеста:

• кислотостойкий;
• некислотостойкий.

Кислотостойкий асбест состоит из амозит-асбеста ((Fe2+, Mg)7Si8O22(OH)2;), актиносил-асбеста, крокидолит-асбеста  голубой асбест (Na2Fe32+Fe23+)Si8O22(OH)2. Его промышленная добыча составляет не более 5%.

Некислотостойкий асбест состоит из хризотил-асбеста. Промышленная добыча до 95%. Формула хризотил-асбеста 3MgO·2SiO·2H2O – гидросиликат магния.

Асбест имеет высокую прочность на растяжение вдоль волокон (предел прочности в среднем 3000 МПа) и легко расщепляется поперёк волокон, что обусловлено его строением.

Т.к. волокна асбеста распушивают, подвергая сжимающим, ударным и другим воздействиям, то после распушки прочность уменьшается до 600-800 МПа, что соответствует прочности стальной проволоки.

Асбестоцементные трубы изготавливают из смеси состава:

- портландцемент марки 400 (данный вид цемента выдерживает нагрузку 400 кг/см) – 85%;

- асбеста 3-го и 4-го сортов  – 15%;

- воды.

Виды АЦтруб:

- напорные – Dу условного прохода 100-500 мм. (для систем водо-, газо- и паропроводов); Напорные трубы проходят гидравлические испытания под давлением, которое зависит от класса.

- безнапорные (самотечные системы канализации, водостоки, мусоропроводы, дренажные коллекторы мелиоративных систем). Испытательное давление для безнапорных труб равно 0,05 МПа.

Преимущества:

- значительно ниже стоимости  металлических, железобетонных и керамических;

Недостатки:

- хрупкость;

- сложность монтажа, особенно  в зимнее время.

Керамические трубы. Сырьём для керамических труб являются природные глины, их смеси с органическими и минеральными добавками, выгорающими при обжиге.

Этапы производства керамических изделий:

- формование;

- сушка;

- обжиг.

Группы керамических изделий:

- пористые (водопоглощение 5% и более) – такие изделия как трубы, кирпич глиняный обыкновенный, пористый и пустотелый, многопустотные стеновые блоки и т.д.;

- плотные (менее 5%) – плитки  для полов и дорожный кирпич.

По назначению керамические трубы подразделяют на:

- канализационные (общего  назначения);

- кислотоупорные (изготавливают из огнеупорной глины в смеси с шамотным измельчённым заполнителем – обожжённой и измельчённой глиной).

Керамические трубы используют при прокладке безнапорных хозяйственно-бытовых и производственных канализационных сетей, дренажных сетей водоотведения, водостоков.

Преимущества:

- долговечность; - стойкость против агрессивных жидкостей; - дешевизна сырья.

Недостатки:

- небольшая механическая  прочность и, как следствие, усложнение транспортировки и хранения;

- небольшая длина штучных труб, что замедляет и усложняет монтаж протяжённых сетей.

Занятие 7. (2 часа!)

Сталь, её классификация и изделия из неё.  Виды и характеристики стальных труб.

Получение стали

Сталь (от нем. Stahl)— сплав железа с углеродом и/или с другими элементами. Сталь содержит не более 2% углерода (при большем количестве углерода образуется чугун). Углерод придаёт сплавам железа прочность.

Стали делятся на конструкционные и инструментальные. 

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные

По содержанию углерода — на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (0,6—2% С); 

Легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на

- низколегированные — до 4% легирующих элементов,

- среднелегированные — до 11% легирующих элементов и

- высоколегированные — свыше 11% легирующих элементов.

Сталь получают из жидкого предельного чугуна с добавкой стального лома тремя способами:

• конверторным

преимущества:

- высокая производительность;

- высокое качество;

- возможность получать  углеродистую сталь любого химического  состава.

• мартеновским

преимущества:

- более высокое качество  стали в сравнении с полученной  мартеновским методом.

• электроплавильным

преимущества:

- возможность строго регулировать  химический состав стали;

недостатки:

- высокая стоимость.

Классификация стали, полученной конверторным и мартеновским методами, в зависимости от степени раскисления:

- кипящая (только малоуглеродистые стали) – раскисленная только марганцем, т.е. не полностью раскисленная.

Преимущества:

- меньшая стоимость, чем  спокойной стали;

- лучше прокатывается  и штампуется

- спокойная сталь –  полностью раскисленная (содержание углерода выше 0,2%).

Преимущества:

- более высокая прочность, чем у кипящей;

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих химических элементов.

Углерод — составная часть, с увеличением содержания которой в стали увеличивается её твердость и прочность, при этом пластичность уменьшается.

Кремний и марганец (в пределах 0,5...0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают.

Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.