Основи матеріалознавства. Значення матеріалів для виробництва. Основні поняття про метали,  неметали та сплави. Їх основні  прикмети та відмінності 

За природою матеріали поділяють на металеві, неметалеві і композиційні.

Композиційні матеріали (композити) виготовляють об'ємним поєднанням хімічно різнорідних компонентів. Вони складаються переважно з пластичної металевої або неметалевої сполучної основи і армуючих добавок у вигляді порошків, волокон або шарів. Монолітне з'єднання основи і зміцнювачів забезпечує композитам кращі властивості, ніж їх мають складові компоненти. Зміна кількісного співвідношення між складовими композитів дозволяє більше змінювати їх властивості. Так, алюміній можна зробити значно міцнішим, гуму – електропровідною чи магнітною, пластмасу – вогнестійкою. Типовим и представниками композитів є металокераміка, склопластики, вуглеметалопластики.

Галузь застосування кожного матеріалу з урахуванням економічних вимог визначається його експлуатаційними характеристиками, які в свою чергу залежать від фізико-хімічних властивостей.

За умовами експлуатації матеріали можуть бути надтверді, зносостійкі, фрикційні, антифрикційні, корозійностійкі, жаростійкі і жароміцні. За технологічним використанням машинобудівні матеріали бувають деформовані, ливарні, оброблювані різанням, зварювані, паяні, склеювані, спечені.

За електропровідністю:  Високопровідні - срібло, мідь, алюміній, золото. 

З високим опором - сплави мідно-марганцеві, мідно-нікелеві, залізні, нікелеві, хромові.

Напівпровідникові.  Діелектрики - пластмаси, кераміка, скло.

За взаємодією з магнітним полем:  Слабомагнітні: – парамагнетики - алюміній, олово, натрій, платина. – діамагнетик - мідь, срібло, золото, свинець.

 Сильномагнітні - феромагнетики - залізо, нікель, кобальт.

 Постачають матеріали на підприємства у вигляді сплавів, прутів круглого, квадратного і шестигранного перерізу, листів, стрічок, дроту, труб і профілів різного асортименту.

Комбінування у чорній металургії.

Комбінування — це форма організації промисловості, за якої на одному підприємстві (комбінаті) поєднуються різні галузі промисловості на основі послідовної обробки сировини, з якої одержують декілька видів готової продукції. Процеси комбінування поширені в чорній і кольоровій металургії, ХІМІЧНІЙ, лісообробній, текстильній та інших галузях промисловості. Існує три види комбінування: послідовна обробка сировини, комплексна переробка сировини і палива, утилізація промислових відходів.

Послідовна обробка сировини має галузевий і міжгалузевий характер. Металургійні комбінати є класичним прикладом комбінування, на яких послідовно з руди виплавляють чавун, сталь, різні сплави, а потім виготовляють прокат. На комбінаті одне підприємство поєднує різні виробництва, які є послідовними стадіями обробки сировини, обслуговують один одного або разом використовують відходи виробництва.

Комбінування знижує капітальні витрати на будівництво підприємств, сприяє комплексному використанню сировини і промислових відходів, зменшує транспортні витрати, скорочує затрати праці. При комбінуванні промислового виробництва створюються нові можливості раціонального розміщення виробництв у локальних промислових комплексах.

Значення металургії та металів у господарстві. Щодня Ви самі переконуєтеся у великому значенні металів як у господарстві, так і в побуті. Не зважаючи на те, що в господарстві зростає значення матеріалів-замінників металічних виробів, стверджувати про втрату значення металів поки що зарано. У машинобудуванні метали є основним конструкційним матеріалом. Жодна галузь господарства нині не може обійтися без машин, а отже, і без металу.

Метали – це прості речовини, які мають електро- та теплопровідність, придатність до кування, а також характерний металевий блиск.

Метал складається з позитивних іонів (атомів, які залишили один або кілька електронів) та вільних електронів. Вільні електрони легко переходять від одного іона до іншого в об'ємі металу. Цим пояснюється електропровідність і ковкість металу. Будова металів у твердому стані характеризується тим, що атоми (іони), з яких вони складаються, розташовані на певній відстані один від одного й утворюють кристалічні ґратки. Між атомами, розташованими у вузлах ґраток, існують сили взаємодії, які утримують атоми на певній відстані. При нагріванні металу зв'язок між атомами слабшає, а при значному нагріванні може настільки зменшитися, що метал з твердого стану перейде в рідкий – розплавиться.

До металів належить більшість (понад 80) елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Їх умовно поділяють на чорні і кольорові.

Від застосування металів залежить розвиток різних галузей виробництва. Важко уявити галузь промисловості, у якій би не використовувався метал. Із чорних та кольорових металів виготовляють авіаційну й космічну, військову та сільськогосподарську техніку, вироби домашнього вжитку, побутову техніку, машини та обладнання для обробки різних конструкційних матеріалів тощо.

Застосування металів

Чорні метали – це залізо і сплави на його основі (чавун, сталь, феросплави).

Найпоширенішим металом є залізо. У природному стані воно існує переважно у вигляді залізної руди. З неї на металоплавильних підприємствах під дією високих температур виплавляють метал. Розплавлений метал розливають у ливарні форми для подальшого затвердіння під час охолодження й утворення ливарних зливків.

Потім зливки піддають стисканню потужними пресами або молотами. У результаті отримують заготовки у вигляді металевих профілів великих розмірів .

Найбільш уживаними серед кольорових металів є легкі (Al, Mg, Ti), легкоплавкі (Zn, Sn, Pb), тугоплавкі (W, Mo,V), благородні (Au, Ag, Pt). Інші кольорові метали мають обмежене застосування, хоча з розвитком техніки їх роль зростатиме. Металам притаманні особливий блиск, непрозорість, а також фізичні, хімічні, механічні та інші технологічні властивості (тепло- і електропровідність, ковкість та ін.). Цим вони відрізняються як від елементарних неметалів таких, як вуглець, сірка, фосфор, так і від складних – скла, паперу, гуми, кераміки, пластмас.

До складу сплавів, крім металів, можуть входити також неметали, наприклад, такі, як вуглець або силіцій.

Додаючи в певній кількості домішки інших металів і неметалів, можна отримати багато тисяч матеріалів з найрізноманітнішими властивостями, у тому числі і такими, яких немає в жодного зі складових елементів сплаву.

Сплав, у порівнянні з вихідним металом, може бути:

·         механічно міцніше і твердіше,

·         зі значно вищою або нижчою температурою плавлення,

·         стійкішим до корозії,

·         стійкішим до високих температур,

·         практично не змінювати своїх розмірів при нагріванні або охолодженні, тощо.

Наприклад, чисте залізо - порівняно м'який метал. При додаванні до заліза вуглецю, твердість сплаву істотно зростає. За кількістю вуглецю, а, отже, і за твердістю, розрізняють сталь (уміст вуглецю менше 2 % за масою), чавун (С - більше 2 %). Проте не тільки вуглець змінює властивості стали. Доданий до сталі хром робить її нержавіючою, вольфрам робить сталь набагато твердішою, додавання мангану робить сплав зносостійким, а ванадію - міцним.

Застосування сплавів, як конструкційних матеріалів

Сплави, що використовуються для виготовлення різних конструкцій, повинні бути міцними і легко піддаватися обробці. 

У будівництві та у машинобудуванні найширше використовуються сплави заліза та алюмінію.

Такі сплави заліза, як сталі, відрізняються високою міцністю і твердістю. Їх можна кувати, пресувати, зварювати.

Чавуни використовують для виготовлення масивних і дуже міцних деталей. Наприклад, раніше з чавуну відливали радіатори центрального опалення, каналізаційні труби, досі виготовляють котли, перила і опори мостів. Вироби з чавуну виготовляються з використанням лиття.  

Сплави алюмінію, які використовуються у конструкціях, наряду з міцністю, повинні відрізнятися легкістю. Дюралюміній, силумін — сплави алюмінію, які є незамінними у літако-, вагоно- і суднобудуванні.

У деяких вузлах літаків використовуються сплави магнію — дуже легкі і жаростійкі.

У ракетобудуванні застосовують легкі і термостійкі сплави на основі титану.

Для поліпшення ударостійкості, корозійної стійкості, зносостійкості, сплави легують — вводять спеціальні добавки. Додавання мангану, робить сталь ударостійкою. Щоб отримати нержавіючу сталь, до складу сплаву вводять хром.

Інструментальні сплави призначені для виготовлення ріжучих інструментів, штампів і деталей точних механізмів. Такі сплави повинні бути зносостійкими і міцними, причому при розігріванні їх міцність не повинна істотно зменшуватися. Таким вимогам відповідають, наприклад, нержавіючі сталі, які пройшли спеціальну обробку (загартування).

Застосування сплавів в електротехнічній промисловості, електроніці та приладобудуванні

Сплави служать незамінним матеріалом при виготовленні особливо чутливих і високоточних приладів, різного роду датчиків і перетворювачів енергії.

Наприклад, для виготовлення серцевини трансформаторів і деталей реле використовують сплав нікелю.

 Окремі деталі електромоторів виготовляються зі  сплавів кобальту.

Сплав нікелю з хромом — ніхром, що відрізняється високим опором, використовується для виготовлення нагрівальних елементів печей і побутових електроприладів.

Зі сплавів міді в електротехнічній промисловості і в приладобудуванні найширше застосування мають латуні і бронзи.

Латуні   незамінні при виготовленні приладів, деталями яких є опорні крани. Такі прилади використовуються в мережах подачі газу і води.

Бронзи   використовуються при виготовленні пружин і пружних контактів.

Застосування легкоплавких сплавів

Головною необхідною властивістю легкоплавких сплавів є задана низька температура плавлення. Це властивість, зокрема, використовується для пайки мікросхем. Крім того, ці сплави повинні мати певну густину, міцність на розрив, хімічну інертність, теплопровідність, тощо. 

Легкоплавкі сплави виготовляють з вісмуту, свинцю, кадмію, олова та інших металів.

Такі сплави використовують у термодатчиках і термометрах пожежної сигналізації, наприклад, сплав Вуда. У ливарній справі для виробництва виплавлюваних моделей, для фіксації кісток і протезування у медицині.

Сплав натрію з калієм (температура плавлення −12,5°С) використовується як теплоносій для охолодження ядерних реакторів.

Сплави у мистецтві

Олов'яна бронза (сплав міді з оловом) - один з перших освоєних людиною сплавів металів. Вона має більшу, у порівнянні з чистою міддю, твердість, міцність і більш легкоплавка. Бронзи успішно застосовують для отримання складних за конфігурацією виливків, включаючи художнє лиття. Класичною маркою бронзи є дзвонова бронза.

Одне з нових напрямків у мистецтві - виробництво художніх литих виробів із чавуну. Литі вироби з чавуну істотно перевершують за якістю ковані вироби. 

 Чавун - метал набагато крихкіший і не такий ковкий, як сталь. Але, навіть з такого, здавалося б, грубого матеріалу, можна отримувати справжні витвори ливарного мистецтва способом лиття, наприклад, такі, як литі сходи або решітки на вікна. Такі вироби піддаються лише поверхневій корозії і не потребують ретельного догляду.