Механические свойства металлов

Механические свойства металлов

Большинство деталей машин, обрабатываемых на металлорежущих станках, изготавливается из металлов и их сплавов. Для режущих инструментов широко применяются твердые сплавы и абразивные материалы. 
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью. 
Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла. 
Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. 
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA. 
Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ. 
Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB. 

 

Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление) и обозначают Σв (сигма). 
Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. 
При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

 

Цветные металлы

Из цветных металлов наибольшее промышленное применение получили медь, алюминий и сплавы на их основе. 
Медь - мягкий пластичный металл розовато-красного цвета, обладающий высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозийной стойкостью. 
В отожженном состоянии она характеризуется пределом прочности при растяжении Σв= 19,6 - 23,6 МПа. Твердостью по Бринеллю 35 -45 НВ. 
Медные сплавы - латуни и бронзы по сравнению с медью более дешевы, имеют лучшие литейные свойства, большую прочность и хорошо обрабатываются резанием. Кроме свойств, присущих меди, они обладают способностью прирабатываться и противостоять изнашиванию. Это важное эксплуатационное качество - антифрикционность - обусловливает широкое применение медных сплавов, особенно бронз, в деталях машин, работающих в условиях повышенного трения (червячные колеса, гайки винтовых передач, вкладыши подшипников скольжения и др.).

Медь получают из медных руд и минералов. Основные методы получения меди — пирометаллургия, гидрометаллургия и электролиз.

Пирометаллургический метод заключается в получении меди из сульфидных руд, например, халькопирита CuFeS2. Халькопиритное сырье содержит 0,5-2,0% Cu. После флотационного обогащения исходной руды концентрат подвергают окислительному обжигу при температуре 1400°:

Затем обожженный концентрат подвергают плавке на штейн. В расплав для связывания оксида железа добавляют кремнезем:

Образующийся силикат в виде шлака всплывает и его отделяют. Оставшийся на дне штейн — сплав сульфидов FeS и Cu2S — подвергают бессемеровской плавке. Для этого расплавленный штейн переливают в конвертер, в который продувают кислород. При этом оставшийся сульфид железа окисляется до оксида и с помощью кремнезема выводится из процесса в виде силиката. Сульфид меди частично окисляется до оксида и затем восстанавливается до металлической меди:

Получаемая черновая медь содержит 90,95% металла и подвергается дальнейшей электролитической очистке с использованием в качестве электролита подкисленного раствора медного купороса. Образующаяся на катоде электролитическая медь имеет высокую чистоту до 99,99% и используется для изготовления проводов, электротехнического оборудования, а также сплавов.

 

Алюминий - мягкий пластичный металл серебристо-белого цвета, отличается высокой электропроводностью, коррозийной стойкостью, малой плотностью и хорошо обрабатывается давлением. 
В отожженном состоянии алюминий обладает малой прочностью Σв=78,5 - 118 МПа и твердостью 15-25 НВ.  
Алюминиевые сплавы, имея положительные качества алюминия, обладают, кроме того, повышенной прочностью и лучшими технологическими свойствами. Благодаря малой плотности их принято называть легкими сплавами. 
В зависимости от состава и технологических свойств алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. Их марки обозначаются буквами и цифрами. Так, например, деформируемые сплавы на основе алюминий - медь - магний (дюралюминий) маркируются буквой Д; алюминий - марганец : АМц, алюминий - магний: АМг; сплавы для поковок и штамповок - АК; литейные сплавы АЛ. Цифры после букв соответствуют порядковому номеру сплава. Лучшими литейными сплавами являются сплавы на основе алюминий - кремний, называемые силуминами.

Получение.

Алюминий образует прочную химическую связь с кислородом. По сравнению с другими металлами восстановление алюминия из руды более сложно в связи с его высокой реакционной способностью и с высокой температурой плавления большинства его руд (таких, как бокситы). Прямое восстановление углеродом применяться не может, потому что восстановительная способность алюминия выше, чем у углерода. Возможно непрямое восстановление с получением промежуточного продукта Al4C3, который подвергается разложению при 1900—2000 °С с образованием алюминия. Этот способ находится в разработке, но представляется более выгодным, чем процесс Холла—Эру, так как требует меньших энергозатрат и приводит к образованию меньшего количества CO2[6].

Современный метод получения, процесс Холла—Эру[en] был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al2O3 в расплаве криолита Na3AlF6 с последующим электролизом с использованием расходуемыхКаменноугольный коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

Для производства 1000 кг чернового алюминия требуется 1920 кг глинозёма, 65 кг криолита, 35 кг фторида алюминия, 600 кг анодных графитовых электродов и около 17 МВт·ч электроэнергии (~61 ГДж)[7].

Лабораторный способ получения алюминия предложил Фридрих Вёлер в 1827 году восстановлением металлическим калием безводного хлорида алюминия(реакция протекает при нагревании без доступа воздуха):

 

 

Магний - лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета.

Обычный промышленный метод получения металлического магния — это электролиз расплава смеси безводных хлоридов магния MgCl2 (бишофит), натрия NaCl и калия KCl. В расплаве электрохимическому восстановлению подвергается хлорид магния:

Расплавленный металл периодически отбирают из электролизной ванны, а в неё добавляют новые порции магнийсодержащего сырья. Так как полученный таким способом магний содержит сравнительно много (около 0,1 %) примесей, при необходимости «сырой» магний подвергают дополнительной очистке. С этой целью используют электролитическое рафинирование, переплавку в вакууме с использованием специальных добавок — флюсов, которые «отнимают» примеси от магния или перегонку (сублимацию) металла в вакууме.

Чистота рафинированного магния достигает 99,999 % и выше.

Разработан и другой способ получения магния — термический. В этом случае для восстановления оксида магния при высокой температуре используют кремний или кокс:

Применение кремния позволяет получать магний из такого сырья, как доломит CaCO3·MgCO3, не проводя предварительного разделения магния и кальция. С участием доломита протекают реакции, вначале производят обжиг доломита:

Затем сильный нагрев с кремнием:

Преимущество термического способа состоит в том, что он позволяет получать магний более высокой чистоты. Для получения магния используют не только минеральное сырьё, но и морскую воду.

 

Титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температура полиморфного превращения α↔β 883 °C. Температура плавления 1660±20 °C. Tитан имеет твердость по Бринеллю 175 МПа.

Как правило, исходным материалом для производства титана и его соединений служит диоксид титана со сравнительно небольшим количеством примесей. В частности, это может быть рутиловый концентрат, получаемый при обогащении титановых руд. Однако запасы рутила в мире весьма ограничены, и чаще применяют так называемый синтетический рутил или титановый шлак, получаемые при переработке ильменитовых концентратов. Для получения титанового шлака ильменитовый концентрат восстанавливают в электродуговой печи, при этом железо отделяется в металлическую фазу (чугун), а не восстановленные оксиды титана и примесей образуют шлаковую фазу. Богатый шлак перерабатывают хлоридным или сернокислотным способом.

Концентрат титановых руд подвергают сернокислотной или пирометаллургической переработке. Продукт сернокислотной обработки — порошок диоксида титана TiO2. Пирометаллургическим методом руду спекают с коксом и обрабатывают хлором, получая пары тетрахлорида титана TiCl4:

Образующиеся пары TiCl4 при 850 °C восстанавливают магнием:

Полученную титановую «губку» переплавляют и очищают. Рафинируют титан иодидным способом или электролизом, выделяя Ti из TiCl4. Для получения титановых слитков применяют дуговую, электроннолучевую или плазменную переработку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОБЫЧА БОКСИТОВ (Производство алюминия)

Производство алюминия начинается с добычи бокситов. Эта горная порода богата алюминием, который содержится в ней в форме гидрооксидов. Около 90% мировых запасов бокситов сосредоточены в тропическом поясе.

ПРОИЗВОДСТВО ГЛИНОЗЕМА

Боксит дробят, высушивают и размалывают в мельницах вместе с небольшим количеством воды. Образовавшуюся густую массу собирают в емкости и нагревают паром, чтобы отделить большую часть кремния, содержащегося в бокситах.

ЭЛЕКТРОЛИЗ АЛЮМИНИЯ

На алюминиевом заводе глинозем засыпают в ванны с расплавленным криолитом при температуре 950 ⁰С. Через раствор пропускают электрический ток силой до 400 кА и выше – он разрывает связь между атомами алюминия и кислорода, в результате металл в жидкой форме собирается на дне ванны.

ПЕРВИЧНЫЙ АЛЮМИНИЙ

Первичный алюминий отливается в слитки и отправляется потребителям, а также используется 
для дальнейшего производства алюминиевых сплавов для различных целей.

АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Литейные алюминиевые сплавы служат для получения готовых изделий путем отливки металла в формы. При этом необходимых свойств от сплава добиваются добавлением к нему различных добавок: кремния, меди и магния. Из таких сплавов, например, производят детали автомобильных и авиационных двигателей или колесные диски.

ПЕРЕРАБОТКА АЛЮМИНИЯ

В отличие от железа алюминий не подвержен коррозии, поэтому изделия из него можно переплавлять и использовать металл бесконечное количество раз. При этом переработка алюминия требует всего 5% энергии, затраченной на изготовление алюминия впервые.

 

Министерство образования и науки РФ

Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники

 

 

 

 

 

 

 

Институт высоких технологий

Кафедра  ВТ-1 «Технологическая информатика и технологии машиностроения»

 

 

 

 

Реферат по курсу

«Механические свойства и получение цветного металла»

 

 

 

                                                                            Выполнил: Студент 2 курса

                                                                                               Факультета Вт-1

                                                                                           Группы 1402

                                                                                         Гончар А.П.

                                                                            Проверил: Филатова Н.В

 

Москва

-2015-