Контрольная работа по «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Изготовляют большое  количество порошковых конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам  сталей, полученных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются σ_В, σ_0,2, KCU, а порог хладноломкости t50повышается даже при увеличении пористости более 2%. С повышением содержания кислорода более 0,01% снижается KCU и повышается t50.

Поэтому рекомендовать  порошковую технологию для высоконагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкционная сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных  металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алюминий, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плотность материала в процентах. Буквы («Д» – медь, «Ж» – железо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия  позволяет увеличить коэффициент  использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность  достигается благодаря сокращению или полному исключению механической обработки. Вследствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы (цилиндрические, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма детали должны позволять равномерно заполнять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распределение напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

 
Медь и сплавы на ее основе

Медь-элемент побочной подгруппы первой группы, четвёртого периода 

периодической системыхимических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 29. Обозначается символом Cu (лат.Cuprum). Простое вещество медь (CAS-номер: 7440-50-8) -- это пластичный переходный металл золотисто-розового цвета (розового цвета при отсутствии оксидной плёнки). C давних пор широко применяетсячеловеком.

История и происхождение названия

Медь - один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой температуры плавления. В древности применялась в основном в виде сплава с оловом --бронзы для изготовления оружия и т. п. (см бронзовый век).

Латинское название меди Cuprum (древн. Aes cuprium, Aes cyprium) произошло от названия острова Кипр, где уже в III тысячелетии до н. э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди.

У Страбона медь именуется  халкосом, от названия города Халкиды  на Эвбее. От этого слова произошли  многие древнегреческие названия медных и бронзовых предметов, кузнечного ремесла, кузнечных изделий и литья. Второе латинское название меди Aes (санскр, ayas, готское aiz, герм. erz, англ. ore) означает руда или рудник. Сторонники индогерманской теории происхождения европейских языков производят русское слово медь (польск. miedz, чешск. med) от древненемецкого smida (металл) и Schmied (кузнец, англ. Smith). Конечно, родство корней в данном случае несомненно, однако, оба эти слова произведены от греч. рудник, копь независимо друг от друга. От этого слова произошли и родственные названия -- медаль, медальон (франц. medaille). Слова медь и медный встречаются в древнейших русских литературных памятниках. Алхимики именовали медь венера (Venus). В более древние времена встречается название марс (Mars).

Нахождение в природе

Самородная медь

Медь встречается в  природе как в соединениях, так  и в самородном виде. Промышленное значение имеют халькопирит CuFeS2, также  известный как медный колчедан, халькозин Cu2S и борнит Cu5FeS4. Вместе с ними встречаются и другие минералы меди: ковеллин CuS,куприт Cu2O, азурит Cu3(CO3)2(OH)2, малахит Cu2CO3(OH)2. Иногда медь встречается в самородном виде, масса отдельных скоплений может достигать 400 тонн [2]. Сульфиды меди образуются в основном в среднетемпературных гидротермальных жилах. Также нередко встречаются месторождения меди в осадочных породах -- медистые песчаники и сланцы. Наиболее известные из месторождений такого типа -- Удокан вЧитинской области, Джезказган в Казахстане, меденосный пояс Центральной Африки и Мансфельд в Германии. Другие самые богатые месторождения меди находятся в Чили (Эскондида и Кольяуси) и США (Моренси)[3].

Большая часть медной руды добывается открытым способом. Содержание меди в руде составляет от 0,3 до 1,0 %.

Физические свойства

Медь -- золотисто-розовый пластичный металл, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Тонкие плёнки меди на просвет имеют зеленовато-голубой цвет.

Медь образует кубическую гранецентрированную решётку, пространственная группа F m3m, a = 0,36150 нм, Z = 4.

Медь обладает высокой  тепло-[4] и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра, удельная проводимость при 20 °C 55,5-58 МСм/м[5]). Имеет два стабильных изотопа -- 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.

Существует ряд сплавов  меди: латуни -- с цинком, бронзы -- с  оловом и другими элементами, мельхиор -- с никелем, баббиты -- со свинцом и другие.

Химические свойства

Не изменяется на воздухе  в отсутствие влаги и диоксида углерода. Является слабым восстановителем, не реагирует с водой, разбавленной соляной кислотой. Переводится в  раствор кислотами-неокислителями или гидратом аммиака в присутствии кислорода, цианидом калия. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами, халькогенами, оксидами неметаллов. Реагирует при нагревании с галогеноводородами.

На влажном воздухе  медь окисляется, образуя основный карбонат меди(II):

Реагирует с концентрированной  холодной серной кислотой:

С концентрированной  горячей серной кислотой:

С безводной серной кислотой при 200 °C:

C разбавленной серной  кислотой при нагревании в присутствии кислорода воздуха:

Реагирует с концентрированной  азотной кислотой:

С разбавленной азотной  кислотой:

С царской водкой:

C разбавленной хлороводородной  кислотой в присутствии кислорода:

С газообразным хлороводородом при 500--600 °C:

С бромоводородом:

Также медь реагирует  с концентрированной уксусной кислотой в присутствии кислорода:

Медь растворяется в  концентрированном гидроксиде аммония, с образованием аммиакатов:

Окисляется до оксида меди(I) при недостатке кислорода и 200 °C и до оксида меди(II), при избытке кислорода и температурах порядка 400--500 °C:

Медный порошок реагирует  с хлором, серой (в жидком сероуглероде) и бромом (в эфире), при комнатной  температуре:

При 300--400 °C реагирует с серой и селеном:

C оксидами неметаллов:

Медь реагирует с  цианидом калия с образованием дицианокупрата(I) калия, щелочи и водорода:

С концентрированной  соляной кислотой и хлоратом калия:

Соединения

Медный купорос

В соединениях медь бывает двух степеней окисления: менее стабильную степень Cu+ и намного более стабильную Cu2+, которая даёт соли синего и сине-зелёного цвета. В необычных условиях можно получить соединения со степенью окисления +3 и даже +5. Последняя встречается в солях купраборанового аниона Cu(B11H11)23?, полученных в 1994 году.

Карбонат меди(II) имеет  зелёную окраску, что является причиной позеленения элементов зданий, памятников и изделий из меди.Сульфат меди(II) при гидратации даёт синие кристаллы  медного купороса CuSO4•5H2O, используется как фунгицид. Также существует нестабильный сульфат меди(I) Существует два стабильных оксида меди -- оксид меди(I) Cu2O и оксид меди(II) CuO. Оксиды меди используются для получения оксида иттрия бария меди (YBa2Cu3O7-?), который является основой для получения сверхпроводников. Хлорид меди(I) -- бесцветные кристаллы (в массе белый порошок) плотностью 4,11 г/см?. В сухом состоянии устойчив. В присутствии влаги легко окисляется кислородом воздуха, приобретая сине-зелёную окраску. Может быть синтезирован восстановлением хлорида меди(II) сульфитом натрия в водном растворе.

Соединения меди (I)

Многие соединения меди (I) имеют белую окраску либо бесцветны. Это объясняется тем, что в  ионе меди (I) все пять Зd-орбиталей  заполнены парами электронов. Однако оксид Cu2O имеет красновато-коричневую окраску. Ионы меди(I) в водном растворе неустойчивы и легко подвергаются диспропорционированию:

2Cu+(водн.) > Cu2+(водн.) + Cu(тв.)

В то же время медь(I) встречается  в форме соединений, которые не растворяются в воде, либо в составе комплексов. Например, дихлорокупрат(I)-ион [CuCl2]? устойчив. Его можно получить, добавляя концентрированную соляную кислоту к хлориду меди(I):

CuCl(тв.) + Cl?(водн.) > [CuCl2]? (водн.)

Хлорид меди(I) -- белое  нерастворимое твёрдое вещество. Как и другие галогениды меди(I), он имеет ковалентный характер и более устойчив, чем галогенид меди (II). Хлорид меди(I) можно получить при сильном нагревании хлорида меди(II):

 

2CuCl2(тв.) > 2CuCl(тв.) + Cl2(г.)

Ионы меди окрашивают пламя в зелёный цвет

Образует неустойчивый комплекс с CO

CuCl+CO > Cu(CO)Cl разлагающийся при  нагревании

Другой способ его  получения заключается в кипячении  смеси хлорида меди(II) с медью  в концентрированной соляной  кислоте. В этом случае сначала образуется промежуточное соединение -- комплексный дихлорокупрат(I)-ион [CuCl2]?. При выливании раствора, содержащего этот ион, в воду происходит осаждение хлорида меди(I). Хлорид меди(I) реагирует с концентрированным раствором аммиака, образуя комплекс диамминмеди(I) [Cu(NH3)2]+. Этот комплекс не имеет окраски в отсутствие кислорода, но в результате реакции с кислородом превращается в синее соединение.

Соединения меди(II)

Степень окисления II -- наиболее стабильная степень окисления меди. Соли меди(II) образуются при растворении  меди в кислотах-окислителях (азотной, конц. серной). Большинство солей в этой степени окисления имеют синюю или зелёную окраску.

Соединения меди(II) обладают слабыми окислительными свойствами, что используется в анализе (напр., использование реактива Фелинга).

Соединения меди(III) и меди(IV)

Степени окисления III и IV являются малоустойчивыми степенями окисления и представлены только соединениями с кислородом, фтором или в виде комплексов.

Аналитическая химия меди

Традиционно количественное выделение меди из слабокислых растворов  проводилось с помощью сероводорода.

В растворах, при отсутствии мешающих ионов медь может быть определена комплексонометрически или потенциометрически, ионометрически.

Микроколичества меди в  растворах определяют кинетическими  методами.

Применение:

В электротехнике

Из-за низкого удельного сопротивления (уступает лишь серебру, удельное сопротивление при 20 °C 0,01724-0,0180 мкОм·м[5]), медь широко применяется в электротехникедля изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Медные провода, в свою очередь, также используются в обмотках энергосберегающих электроприводов (быт: электродвигателях) и силовых трансформаторов. Для этих целей металл должен быть очень чистый: примеси резко снижают электрическую проводимость. Например, присутствие в меди 0,02 % алюминия снижает её электрическую проводимость почти на 10 %[6].

Теплообмен

Другое полезное качество меди - высокая теплопроводность. Это  позволяет применять её в различных  теплоотводных устройствах, теплообменниках, к числу которых относятся  и широко известные радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления.

Для производства труб

В связи с высокой  механической прочностью, но одновременно пригодностью для механической обработки, медные бесшовные трубы круглого сечения получили широкое применение для транспортировки жидкостей и газов: во внутренних системах водоснабжения, отопления, газоснабжения, системах кондиционирования и холодильных агрегатах. В ряде стран трубы из меди являются основным материалом, применяемым для этих целей: во Франции, Великобритании и Австралии для газоснабжения зданий, в Великобритании, США, Швеции и Гонконге для водоснабжения, в Великобритании и Швеции для отопления.

В России производство водогазопроводных  труб из меди нормируется национальным стандартом ГОСТ Р 52318-2005[7], а применение в этом качестве федеральным Сводом Правил СП 40-108-2004. Кроме того, трубопроводы из меди и сплавов меди широко используются в судостроении и энергетике для транспортировки жидкостей и пара.