Конструкционные материалы Учебно-методическое пособие к проведению лабораторных работ по общей и неорганической химии для студентов I курса нехимических специальностей (стр. 1 )

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра общей и аналитической химии

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Учебно-методическое пособие к  проведению лабораторных работ по общей

и неорганической химии для студентов I курса нехимических специальностей

Уфа

2012

       Учебно-методическое пособие разработано на кафедре «Общая и аналитическая химия» и предназначено для выполнения лабораторных работ по темам  «Химические свойства лёгких конструкционных металлов» и «Химические свойства тяжёлых конструкционных металлов». В методическом пособии приводится описание опытов, позволяющих сравнивать свойства конструкционных металлов, их химическую активность и химические  свойства их соединений. Приведены вопросы и задания для контроля знаний студентов.

Составители:  , проф., д-р хим. наук

  , доц., канд. хим. наук

Рецензент  , доц. БГМУ, канд. хим. наук

©  Уфимский  государственный  нефтяной  технический  университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Конструкционные материалы

Конструкционные материалы – это материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами конструкционных материалов являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества конструкционных материалов относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др. Основой конструкционных материалов являются металлические сплавы на основе железа (чугуны и стали), меди (бронзы и латуни), свинца и олова.

Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т. п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т. д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.

Отдельные классы конструкционных материалов, в свою очередь, делятся на многочисленные группы. Металлические сплавы различают: по системам сплавов — алюминиевые, магниевые, титановые, медные, никелевые, молибденовые, ниобиевые, бериллиевые, вольфрамовые, на железной основе и др.; по типам упрочнения — закаливаемые, улучшаемые, стареющие, цементируемые, цианируемые, азотируемые и др.; по структурному составу — стали аустенитные и ферритные, латуни и т. д.

К металлическим конструкционным материалам относится большинство выпускаемых промышленностью марок стали.

Конструкционные металлы

Металлы, применяемые в машиностроении для изготовления несущих нагрузку деталей, принято называть конструкционными. Конструкционные металлы подразделяют на лёгкие (Ве, Mg, Al, Ti, V) и тяжёлые (Fe, Co, Ni, Sn, Pb). Металлы различают по плотности: плотность лёгких конструкционных металлов меньше 5 г/см3,  тяжёлых – свыше 5000 кг/м3.

Основные характеристики и некоторые физико-химические свойства лёгких конструкционных металлов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Атомные характеристики и некоторые физико-химические свойства

Be	Mg	Al	Ti	V
Строение внешнего и  предвнешнего электронного слоя	…2s2	…3s2	…3s23p1	…3d24s2	…3d34s2
Радиус атома, нм	0,113	0,160	0,143	0,147	0,134
Первый потенциал ионизации, кДж/моль	901	736	577	657	650,3
Относительная электроотрицательность (по Полингу)	1,50	1,20	1,47	1,45	–
Стандартный электродный потенциал, В, для процесса: Э2+ + 2 = Э0 Э3+ + 3  = Э0 Э4+ + 4  = Э0	-1,85 – –	-2,37 – –	– -1,66 –	-1,63 – -0,88	-1,175
Степени окисления в соединениях	+2	+2	+3	+2, +3, +4	+2, +3, +4, +5
Плотность, г/см3	1,85	1,74	2,70	4,51	6,11
Температура плавления, 0С	1284	651	660	1677	1920
Содержание в земной коре, масс. %	2⋅10-4	2,09	8,13	0,44	0,015
Цвет в компактном состоянии	Свин-цово-серый	Сере-бристо-белый	Сере-бристый	Сталь-ной	Сере-бристо-серый
Удельная теплоемкость, Дж/(кг⋅К)	1982,6	1047,5	937	521	488

Бериллий используют в качестве легирующей добавки к сплавам, придающей им повышенную коррозионную стойкость, высокую прочность и твёрдость. Наиболее ценны сплавы Cu-Be (бериллиевые бронзы), содержащие до 2,5 % Ве. Сплавы с бериллием применяют в самолётостроении, электротехнике и др.

Оксид бериллия ВеО применяют в качестве химически стойкого и огнеупорного материала для изготовления тиглей и специальной керамики, а в атомной энергетике – как замедлитель и отражатель нейтронов. Оксид бериллия входит в состав некоторых стеклообразующих смесей.

Магний с металлами образует смеси, твёрдые растворы,  интерметаллические соединения. Магниевые сплавы применяются преимущественно в виде литья в конструкциях летательных аппаратов, в автомобилестроении, в текстильной и полиграфической промышленности и др.  Наиболее важный сплав магния – электрон (3-10 % Al, 0,2-3 % Zn, остальное Mg), который благодаря  его прочности  и малой  плотности применяют в ракетной технике и авиастроении. Магний в основном  используется для производства «сверхлёгких» сплавов. В металлотермии для производства Ti, Zr, V, U и др. Смеси его порошка с окислителями применяются для осветительных и зажигательных ракет, снарядов, в фото - и осветительной технике.

Оксид магния (жжёная магнезия) используют в качестве наполнителя в производстве резины, для очистки нефтепродуктов, в производстве огнеупорных и строительных материалов.

Алюминий по применению занимает одно из первых  мест среди металлов. Это обусловлено его невысокой плотностью, высокой прочностью, способностью  пассивироваться. Устойчивость пассивированного алюминия  позволяет использовать его для  изготовления ёмкостей для хранения и транспортировки азотной кислоты. Из алюминия изготавливают  химическую аппаратуру, электрические провода, конденсаторы. Алюминиевая фольга (толщиной 0,005 мм) применяется в пищевой  и фармацевтической промышленности для упаковки продуктов и медицинских препаратов. Основную массу алюминия используют для получения сплавов: дуралюмин (94 % Al, 4 % Cu, по 0,5 % Mg, Mn, Fe, Si ),  силумин (85-90 % Al, 10-14 % Si, 0,1 % Na) и др. Сплавы алюминия широко применяются в автомобилестроении, судостроении, авиационной технике и проч. Как легирующая добавка алюминий вводится во многие сплавы для придания им жаростойкости.  Алюминиевые сплавы служат для изготовления корпусов самолётов, вертолётов, ракет, судов различного назначения и др.  Они обладают малой плотностью, высокой электро - и теплопроводностью, коррозийной стойкостью и удельной прочностью. Алюминиевые сплавы в зависимости от технологических свойств делят на деформируемые и литейные.

Наибольшее распространение из деформируемых сплавов получили термически упрочняемые с помощью закалки и старения алюминиево-медно-магниевые и алюминиево-магниевые сплавы. Они обладают высокими механическими свойствами, выпускаются в виде прутков, листов, труб, фасонных профилей. Их применяют для средненагруженных деталей типа стоек, крышек, втулок и т. д. К деформируемым относится высокопрочный алюминиево-магниево-цинковый сплав, который применяют для деталей с повышенными статическими нагрузками (валы, зубчатые колеса).

Деформируемыми являются так называемые спеченные алюминиевые сплавы, отличающиеся очень высокими прочностными свойствами (модуль упругости, пределы прочности уut и текучести уу). Они бывают двух видов: САП (спеченная алюминиевая пудра) и САС (спеченный алюминиевый сплав). САП упрочняется дисперсными частицами окиси алюминия Al2O3, образуемой в процессе помола алюминиевой пудры в атмосфере азота с регулируемой подачей кислорода. Пудру брикетируют, спекают и подвергают деформации – прессованию, прокатке, ковке. Прочность сплава возрастает при увеличении окиси алюминия до 20 – 22%. Сплавы САС содержат до 25% кремния и 5% железа. Их получают распылением жидкого сплава, брикетированием полученных гранул и последующей деформацией. Спеченные алюминиевые сплавы применяют для изготовления высоконагруженных деталей и различных профилей.