Предмет: Технологія конструкційних матеріалів

ЛЕКЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ

 

Заняття №1(2години)

Організаційний момент:

 

Написати на дошці: Верещага Наталія Вікторівна

Перевірка студентів по списку

Література основна:

 

1 Попович Василь, Попович Віталій. Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавства.- Львів.: Видавництво «Світ», 2006.- 623 с.

2 Кузьмін Б.А. і ін. Технологія металів і конструкційні матеріали.- М.:Машинобудування, 1984.

3 Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы. - М.: Высшая школа, 1980.

4 Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционних материалов і материаловедение.- М.:Высшая школа, 1990.

5 Кузьмин Б. А., Самохацкий А. И., Кузнецова Т.Н. Металлургия, металловедение и конструкционные материалы.-М.: Высшая школа, 1981.

6 Челноков Н. М., Власьевнина Л. К., Адамович Н. А. Технология горячей обработки материалов. – М.:Высшая школа, 1981.

7 Афонькин М. Г., Магницкая М. В. - Производство заготовок в машиностроении.- М:. Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987.

8 Самохацкий. А. И., Кунявский М. Н. Лабораторные работы по металловедению и термической обработке металлов. - Изд. 3-ем. М.:Машиностроение, 1981.

9 Хільчевський В.В., Кондратюк С.Є. та ін. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів. Навчальний посібник для учнів пофесійно - технічних

навчальних закладів. – К.: Либідь, 2002. - 326с.

Додаткова

1 Усова Л. Ф. Технология металлов и конструкционные материалы. –

М.: Машиностроение, 1987.

2 Седов Ю. Е., Адаекин А. М. Справочник молодого термиста.- Л.: Высшая школа, 1986.

3 Косилова А. Г. и др. Точность обработки заготовок и припуски в машиностроении. Справочник.- М.: Машиностроение, 1976.

4 Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф. И др. Технология металлов и материалов. –

М.: Металлургиздат, 1987.

5 Солнцев Ю. П., Веселов В. А. И др. Металловедение и технология металлов. - М.: Металлургиздат, 1988.

 

Тема заняття: Введення

 

План: 1Загальна характеристика предмета і його роль у підготовці фахівців, зв’язок з іншими предметами.

2 Основні поняття і визначення.

3 Основні кон­струкційні та інструментальні матеріали - чорні та кольорові метали, по­рошкові для спікання і неметалеві матеріали, їх властивості і застосуван­ня у промисловості.

4 Раціональне використання конструкційних та інструментальних матеріа­лів у народному господарстві.

5 Короткі історичні довідки про розвиток металургії, виробництво конструкційних та інструментальних матеріалів.

 

Мета заняття учбова: Зрозуміти сутність і значення предмета

Мета заняття виховна: Ставлення студента до сучасного виробництва

Література: (1, с. 1-16)

 

1Дисципліна «Технологія конструкційних матеріалів» охоплює сучасні способи виробниц­тва найважливіших конструкційних матеріалів, подає відомості про їх структуру, властивості й подальшу пе­реробку цих матеріалів у проміжні вироби — заготов­ки, а відтак у готові вироби — деталі з необхідними експлуатаційними характеристиками. Основні положен­ня матеріалознавства використовуються тут як теоретич­на база для ливарного виробництва, гарячої й холодної обробки тиском, зварювання, обробки різанням, спеціальних видів обробки та виготовлення виробів з полімер­них матеріалів.

 

Технологія конструкційних матеріалів— це наука про способи видобування, властивості та ме­тоди обробки металевих й неметалевих матеріалів.

Без конструкційних матеріалів, особливо без металів, не обходиться жодна галузь сучасного виробництва. Саме тому майбутній молодий спеціаліст повинен здобути у навчаль­ному закладі не лише ґрунтовні теоретичні знання про будову, властивості та новітні технології обробки матеріалів, але й оволодіти

основними методиками лабораторних досліджень і технологічних розрахунків. Системні знання та практичні навики допоможуть йому згодом в умовах виробництва раціонально вибирати необхідні матеріали, використовувати зміцнювальні технології й призначати способи виготовлення заготовок і деталей машин.

Дисципліна «Технологія конструкційних матеріалів» складається із таких частин:

- металургія чорних,

- матеріалознавство і термічна обробка,

- конструкційні матеріали,

- інструментальні матеріали,

- ливарне виробництво,

- обробка металів тиском,

- зварювальне виробництво,

Металургія— галузь промисловості, яка забезпечує видобування металів із руд. Метали в рудах перебувають переважно в хімічно зв'язаному стані. Їх відновлюють і рафінують здебільшого при високих температурах у спеціальних агрегатах.

Матеріалознавство вивчає у взаємозв'язку склад, будову та властивості матеріалів. Воно об'єднує металознавство та науку про неметалеві властивості, вивчає залежність будови і властивос­тей від методів виробництва та обробки матеріалів, а також зміну їх під впливом зовнішніх чинників: силових, теплових (термічних), радіаційних та інших.

Теоретичною основою матеріалознавства є відповідні розділи фізики та хімії. У матеріалознавстві широ­ко використовують сучасні структурні дослідження, фізичні та механічні випробування. Завдяки цьому, а також беручи до уваги економічні розрахунки, можна обґрунтовано визначити доцільність застосування того чи іншого матеріалу в конкрет­них умовах експлуатації. Знання теоретичних засад метало­знавства дає змогу глибше зрозуміти процеси ливарного та зва­рювального виробництв, обробки металів тиском і різанням..

Технологія (від грецького techne — мистецтво, майстерність, уміння та logos — наука, вчення) — це сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану, властивостей, форми сировини, ма­теріалу або напівфабрикату, що здійснюються в процесі вироб­ництва продукції (виробів). Завдання технології як науки — з'ясування фізичних, хімічних, механічних та інших законо­мірностей з метою визначення та практичного використання найефективніших і економічних виробничих процесів.

Технологічність - властивість матеріалу або конструкції, яка дозволяє використати для виробництва, експлуатації та ремонту найбільш економічні технологічні процеси, що забезпечують необхідну якість.

Від techne походить також слово техніка.

Техніка - це сукупність засобів, знарядь, створених людиною для виконання процесів виробництва (машини, апарати, механіз­ми, пристрої, інструменти, прилади тощо).

Отже, технологія — це способи виробництва, техніка — це засоби виробництва.

Технологія пов'язана з відповідними галузями виробництва: технологія загального машинобудування, літакобудування, ви­готовлення будь-яких виробів, матеріалів тощо.

Ми ж будемо вивчати технологіюконструкційних матеріалів (ТКМ).

 

Конструкційними називають матеріали, з яких виготовляють деталі машин, приладів, елементи різних конструкцій, інструменти, тобто ма­теріали, здатні витримувати значні механічні навантаження.

Отже, ТКМ — це наука про сучасні методи одержання та обробки конструкційних матеріалів з метою виготовлення конструкцій і дета­лей необхідних розмірів, конфігурації, стану (чистоти) поверхні та властивостей.

Основні види обробки конструкційних матеріалів при виготовленні деталей:

• лиття;

• обробка тиском;

• зварювання;

• обробка різанням.

Основні способи обробки матеріалів для надання їм потрібних властивостей:

• термічна обробка (температурна);

• механічна;

• термомеханічна;

• термохімічна.

Рівень технічного розвитку суспільства залежить від того, якими матеріалами воно володіє. Навіть основні етапи розвитку людства визначаються матеріалами (кам'яний вік, бронзовий, вік заліза), що підкреслює важливе місце курсу матеріалознавства серед інших технічних наук.

Дисципліни «Технологія конструкційних матеріалів» і «Технологія машинобудування» взаємопов'язані, оскільки технологія обробки залежить від властивостей оброблюваних мате­ріалів, а властивості — значною мірою — від методів виробництва матеріалів та їх обробки. В прискоренні науково-технічного поступу важлива роль відводиться машинобудуванню. Сучасне машинобудування

характеризується безперервним зростанням енергонапруженості, екстремальними параметрами (граничні механічні наванта­ження, високі та низькі температури, агресивні середовища, високий рівень радіації тощо), тому в багатьох випадках тільки надання специфічних властивостей матеріалам, що застосовуються, можна забезпечити надійність і довговічність машин. Нові технології, що пов'язані з використанням надвисоких температур і тиску, лазера, плазми, електропорошкової металургії, енергії вибуху, електро- і магнітоімпульсної обробки тощо, дають змогу одержувати та синтезувати такі матеріали, яких раніше людство не лише не мало, але й не знало, або які взагалі в природному стані не зустрічаються (надтверді, надміцні, жаростійкі тощо).

Отже, завдання матеріалознавства взагалі — це розробка нових і вдосконалення існуючих матеріалів. Завдання ж курсу «Технологія конструкційних матеріалів" як складової частина загальної технологічної підготовки спеціалістів — навчити майбутніх спеціалістів-машинобудівників, як, знаючи силові, темпе­ратурні та інші умови роботи деталі, визначити необхідні властивості матеріалу й забезпечити їх належним вибором хімічного складу матеріалу деталі, режимів термічної, механічної та інших видів його обробки; у кожному конкретному випадку вибрати і призначити найбільш простий, економічний (дешевий), з мінімумом затрат матеріалу, праці та енергії, по можливості, безвідхідний метод виготовлення деталі чи елемента конструкції.

Крім того, знання основ технології конструкційних матеріалів є конче необхідними для успішного вивчення ряду спеціальних дисциплін, які формують технічну обізнаність, кваліфікацію спеціаліста.

 

Конструкційні матеріали, що використовуються в машинобуду­ванні, поділяються на металевійнеметалеві.

Металеві: сталі, чавуни та кольорові метали. Залізо і його сплави (сталі, чавуни) — чорні, всі інші — кольорові метали.

Неметалеві: полімери, пластмаси, гуми, деревина, силікатні матеріали — кераміка, скло та ін.( Виготовлення виробів з полімерних матеріалів — порівня­но нова галузь промисловості. Полімерні матеріали поряд з металами й неметалевими матеріалами (деревиною, склом, керамікою ти ін.) широко застосовують у народному господарстві.

Властивості матеріалів в основному поділяються на фізичні, хімічні, технологічні й механічні.

• Фізичні: щільність (питома вага), тепло- й електропровідність, магнетизм та деякі інші.

• Хімічні: здатність взаємодіяти з довколишнім середовищем, вступати в хімічні сполучення, розчинятися, кородувати, біль­шою чи меншою мірою чинити опір дії агресивних середовищ.

• Технологічні: здатність піддаватися різним методам обробки — різанню (точіння, фрезерування, шліфування та інші), обробці тиском (прокатування, штампування, пресування, волочіння, кування), зварюванню, литтю (рідкотекучість, усадка).

• Механічні: твердість, міцність, жорсткість, пружність, пластич­ність, крихкість, зносостійкість, в'язкість, втомна міцність, жа­ростійкість, жароміцність, зносостійкість, дисипація енергії, повзучість та деякі інші.

Металами називають речовини, які мають кристалічну будову металевий блиск, добру пластичність, високу електро- і тепло­провідність. Із 109 елементів періодичної системи Менделєєва близько 80 є металами. Найпоширеніші в природі метали — це алюміній (8,8 % маси земної кори) і залізо (4,6 %).

У машинобудуванні хімічно чисті метали майже не застосовують з огляду на відсутність в них необхідних механічних й технологічних властивостей. Якщо, наприклад, до рідкого металу спеціально ввести задану кількість хімічних елементів, то отримаємо матеріал з іншими властивостями, який називається сплавом. Властивості металевих сплавів можна додатково змінювати, застосовуючи відповідну термічну або хіміко-термічну обробку. Кількість сплавів, які використовуються у сучасній техніці, невпинно зростає.

Умовно метали поділяють на чорні й кольорові.

До чорних металів належать залізо і сплави на його основі – сталі та чавуни. Ці сплави є основними в машинобудівній промисловості завдяки порівняно невисокій вартості, добрим технологічним і механічним властивостям. Недоліками чорних металів є висока їх густина та низька корозійна тривкість.

З огляду на це спостерігається стійка тенденція до широкого
використання сплавів на основі алюмінію, титану та магнію.

Кольоровими вважають всі інші метали, крім чорних. Для технічних потреб застосовують близько 70 кольорових металів. Серед них найважливішими є алюміній, мідь, магній, титан, цинк, свинець, олово, нікель, вольфрам та інші.

Здебільшого кольорові метали є основою сплавів або легувальними елементами до них.

5 Шлях до сучасного використання металів був дуже довгим і складним. Розглянемо в ретроспективі використання металів. З археологічних розкопок відомо, що самородні метали — золо­то, срібло, мідь — почали застосовувати близько 8 тис. років тому. Найдавніші прикраси з міді, виявлені на території Туреччини, відносяться до VI тис. до н.е. Знаряддя праці виготовлені з бронзи у IV ст. до н.е., були знайдені теж на території Туреччини, а також Ірану та Месопотамії. До цього ж періоді належать і вироби з метеоритного заліза, виявлені в Єгипті.

Як вважають вчені, металургія заліза виникла понад три тисячі років тому в різних місцях земної кулі ( Мала Азія, Індія, Китай). Трохи згодом (початок І тис. до н.е.) залізо виплавляли з руд у Середній Азії, Закавказзі і на території теперішньої Швейцарії, де проживали племена кельтів. Учнями кельтів стали найближчі їхні сусіди — римляни та гер­манці.

Виробництво заліза на території України відоме з VII-V ст, до н.е. За часів Київської Русі залізо видобували способом без­посереднього його відновлення деревним вугіллям у горнах. У XIII-XVIII ст. в Галичині, на Поліссі, Київщині й Придніпро­в'ї залізо отримували в горнах і примітивних домницях. На Львівщині залізо виробляли в Звенигороді , що був зруйно­ваний татаро-монголами в 1241 р. У XVIII ст. в Галичині й на Поліссі з'явились перші доменні печі невеликих розмірів, у яких із місцевих болотних і гірських руд виплавляли чавун на деревному вугіллі. На території Галичини в 1778 р. налічувалось 40 дрібних металургійних підприємств з печами висотою від 10 до 20 метрів. Чавун переробляли в сире залізо, яке потім кува­ли і навіть вальцювали.

Заводське виробництво чорних металів в Україні почало роз­виватись на початку XIX ст. разом з промисловою розробкою кам'яного вугілля в Донбасі та залізних руд у Криворізькому й Керченському басейнах .

Коротко зупинимось на розвитку технологій відновлення і переробки заліза. Спочатку його відновлювали із руд у закритих ямах, а згодом — у невисоких печах, що називались горнами. В горно насипали деревне вугілля й залізну руду. Щоб інтенсивніше горіло підпалене вугілля, в горно вдували повітря міхами з ручним приводом. Температура в зоні горіння сягала 900° С і більше. Відновлений Карбоном шматок заліза — криця мав вкраплення шлаку. Для витіснення шлаку крицю кілька разів проковували в нагрітому стані.

Винайдення водяного колеса стимулювало перехід від ручновітродувних міхів до продуктивніших механічних, що дало змогу інтенсифікувати горіння вугілля й збільшити висоту горна. Високе горно стали називати домницею. У Європі домни виникли перед XIV ст. Зі збільшенням висоти домниці краще використовувалась теплота, збільшувалась температура процесу і як наслідок поряд зі шматком криці з'являвся роз­пікший чавун. Чавун порівняно з крицею мав високий вміст вуглицю і характеризувався крихкістю. Його вважали небажаним продуктом і в Німеччині називали „ диким каменем", а в Англії „ свинячим залізом" (pig iron).

Згодом металурги навчились переробляти чавун у крицю в кричному горні, який нагадував домницю. В кричний горн завантажували шматки чавуну разом з деревним вугіллям. Під дією інтенсивного дуття згоряло вугілля, розплавлявся чавун і частина вуглецю в ньому вигоряла. Так виник продуктивніший від попереднього (одностадійного) двостадійний процес виробництва криці: в першій стадії у домниці з руди отримували чавун, ругій — із чавуну в кричному горні отримували крицю.

Підвищені господарські й військові потреби вимагали не­впинного розширення і вдосконалення металургійного й мета­лообробного виробництв. Зросли вимоги до підготовки фахівців технічного профілю.

Починаючи з другої половини XIX ст. у металургії сталі зроблено цілу низку визначних винаходів. Одним з них став спосіб отримання сталі внаслідок продування повітрям рідкого чавуну.

Водночас з розробкою нових технологій виробництва вугле­цевих сталей проводились інтенсивні наукові пошуки одержан­ня легованих сталей.

Невпинне розширення асортименту конструкційних матеріа­лів, зокрема сталей, вимагало серйозних металознавчих дослід­жень.

XVIII століття характеризується численними вдосконалення­ми металообробних верстатів і створенням нових способів оброб­ки.

У XIX ст. запроваджено основні способи обробки мета­лів різанням, а в XX ст. їх вдосконалювали й підвищували точ­ність верстатів, виготовляли верстати-автомати. Спочатку автоматична обробка різанням була зорієнтована на масове ви­робництво. Та з появою верстатів з числовим програмним керу­ванням вона знаходить все більше застосування в дрібносерійному і навіть в одиничному виробництві.