Введение. Из основных тепловых характеристик экспериментально нахо­дим влажность, температуру и точку росы воздуха

Из основных тепловых характеристик экспериментально нахо­дим влажность, температуру и точку росы воздуха, теплопроводность материалов и тепловые потоки ограждающих конструкций здания.

3.1. Методика исследования

Двухканальный гигрометр ТЕМП-3.2.1 предназначен для изме­рения температуры и относительной влажности воздуха, а также для определения точки росы.

Техническая характеристика прибора ТЕМП-3.2.1:

1. Диапазон измерений температуры - -40.., +85°С.

2. Диапазон измерений влажности - 0... 100%.

3. Пределы относительной ошибки - ±2%.

Порядок измерений влажности, температуры и точки росы:

1. Выбрать режим измерений.

2. Выдержкой по времени стабилизировать показания прибора.

3. Провести отсчет измеряемых показателей.

Прибор МИТ-1 предназначен для определения теплопроводно­сти строительных и теплоизоляционных материалов зондовым ме­тодом. Принцип действия прибора основан на изменении темпера­туры зонда за определенное время при его нагреве постоянной мощ­ностью. Зонд имеет диаметр 6, 0±0, 05 мм, перед измерением он вво­дится в заранее просверленное отверстие в образце материала. По­сле достижения стабилизации температуры программой прибора выполняется расчет коэффициента теплопроводности.

Техническая характеристика прибора МИТ-1:

1. Диапазон измерения теплопроводности - 0, 03...2, 0 Вт/(м-К).

2. Относительная погрешность - ±7%.

3. Время измерения -7мин.

Порядок измерения теплопроводности материала:

1. Просверлить в исследуемом материале отверстие диаметром 6, 0 ±0, 05 мм и глубиной 100 мм.

2. В микропроцессор ввести вид материала.

3. Нанести на зонд смазку (вазелин...) или использовать без смазки (воздух).

4. Провести измерение.

Прибор ИТС-1 предназначен для измерения теплопроводности и теплового сопротивления строительных и теплоизоляционных ма­териалов.

Принцип действия измерителя теплопроводности ИТС-1 осно­ван на создании проходящего через исследуемый плоский квадрат­ный образец размером 150> < 150и толщиной 10...25 мм стационарно­го теплового потока. Для уменьшения погрешности измерения теп­лоизоляционных материалов желательно выбирать образцы мини­мальной толщины (10... 15 мм), а для материалов с высокой тепло­проводностью - образцы максимальной толщины (20...25 мм).

Техническая характеристика измерителя теплопроводности ИТС-1:

1. Диапазон измерения теплопроводности - 0, 02...1, 5 Вт/(мК).

2. Пределы допускаемой относительной погрешности - 5%.

3. Время измерения - 0, 5... 2, 5 ч.

4. Потребляемая мощность - не более 120 Вт.

Нажатием клавиши «О» включается режим измерения, при этом прибор запросит с пользователя толщину образца в мм и ориентиро­вочное значение теплопроводности испытываемого материала (табл. 3.1). Введением этих данных уменьшается продолжитель­ность процесса измерения.

Таблица 3.1

Значения теплопроводности материалов

№	Материалы	Теплопроводность Х, Вт/(м-К)
	Гранит Бетон тяжелый Кирпич Ячеистый бетон Дерево Минеральная вата Пенопласт	3, 2...3, 5 1, 0...1, 5 0, 6... 0, 8 0, 3 0, 2 0, 06...0, 09 0, 03...0, 05

 

По величине теплового потока через образец материала, темпе­ратуре противоположных граней образца и его толщине вычисляет­ся теплопроводность материала по формуле

X = hqIAT,

где h — толщина образца; q - плотность теплового потока, проходя­щего через образец; А Т - разность температур между противопо­ложными гранями образца.

Измерительно-регистрирующий комплекс «Теплограф» пред­назначен для определения сопротивления теплопередаче ограждаю­щих конструкций (стен, окон, дверей и др.), а также для комплекс­ного обследования различных объектов с целью определения их те­плозащитных свойств и выявления дефектов теплоизоляции. Прибор может выполнять продолжительный мониторинг тепловых потоков.

Техническая характеристики комплекса «Теплограф»:

1. Температура поверхности -30...+100 °С.

2. Плотность тепловых потоков 10...500 Вт/м²

3. Термическое сопротивление 0, 05...5 (м²-К)/Вт.

4. Относительная погрешность измерения температуры не более 0, 5%.

5. Относительная погрешность измерения теплового потока не более 5%.

6. Период отсчетов 1 мин...24 ч

7. Максимальное количество отсчетов 100000

8. Время непрерывной работы 30 сут.

Принцип действия прибора заключается в измерениях термо­электродвижущей силы контактных термоэлектрических датчиков теплового потока и сопротивления датчиков температуры.

Датчики теплового потока представляют собой гальваническую медьконстатановую термобатарею из нескольких сот последова­тельно соединенных термопар, сложенных бифилярно в спираль, и залитую эпоксидным компаундом. Датчик имеет два вывода (по од­ному от каждого чувствительного элемента). Он закрепляется на теплообменной поверхности (стекло, кирпич, штукатурка) и за счет градиента температуры вырабатывает соответствующий

q = К Е,

где q - плотность теплового потока, Вт/м²; К - коэффициент пре­образования, Вт/(м² мВ); Е - величина термоэлектрического сигна­ла, мВ.

В качестве выносных датчиков температуры в измерителе при­меняются платиновые термодатчики сопротивления, обеспечиваю­щие измерения поверхностных температур объемных твердых тел путем их наклеивания на исследуемые поверхности, а температур воздуха и сыпучих тел -погружением их в измеряемую среду.

Измерение плотности тепловых потоков проводят, как правило, с внутренней (теплой) стороны ограждающей конструкции. В случае невозможности проведения измерения с внутренней стороны разре­шается проведение измерений и с наружной стороны.

Для снижения погрешности измерение производят при разности температур наружной (холодной) и внутренней (теплой) конструк­ции не менее 25...30 °С.

Датчики плотно прижимают к испытываемой конструкции. Не допускается наличие воздушных зазоров между датчиком и поверх­ностью. Для этого на поверхность наносят тонкий слой теплопро­водной пасты или технического вазелина.

 

 

3.1. Расчет теплоты фазовых превращений материалов

Материал может быть твердым, жидким или газообразным. Фа­зовыми превращениями их могут быть при нагреве плавление и ис­парение; а при охлаждении - конденсация и затвердевание.

Рис. 3.1. Схема затрат тепла Q £ на превращение льда в водяной пар

 

Суммарный расход тепла Q _£ на нагрев Q_HTM и расплавление Q_njl твердого материала, на последующий нагрев жидкого материала до температуры кипения £)_нжм и его испарение Q_i[cn равен сумме (рис. 3.1) этих составляющих:

Q'LQktmQtui £? нжм Qucn-

Так, для плавления льда надо подводить тепло. Сначала темпе­ратура его будет повышаться от минусовой до О °С, но в процессе плавления льда температура не будет увеличиваться, т.е. будет ка­кой-то промежуток времени с нулевой температурой. Для перевода

полученной воды в пар, т.е. в газообразное состояние, вновь потре­буются затраты тепловой энергии сначала на нагрев воды от О °С до 100 °С, а затем на ее кипение.

Слагаемые этой формулы в соответствии с рис. 3.1 находятся по элементарным зависимостям:

Для расчета по этим формулам коэффициенты и значения температур принимаются из табл.3.2:

С- теплоемкость, кДж/(кг*К);

-удельная теплота плавления, кДж/кг;

- температура плавления º С;

- температура кипения, º С.

 

Таблица 3.2

Температуры плавления и кипения, удельная теплота плавления некоторых материалов

№	Вещество	Удельная теплоем­кость с, кДж/(кг-К)	Темпера­тура плав­ления tm> °С	Удельная теплота плавления кп л, кДж/кг	Темпе­ратура кипения tan, °С
	Лед (вода) Алюминий Медь Цинк Олово Свинец Сталь Титан	2, 1 (4, 2*) 0, 91 0, 39 0, 35 0, 22 0, 13 0, 50 0, 47			(100*)

* Относится к воде.

При переходе воды в пар, т.е. до газообразного состояния, удельная теплота парообразования г_жа составляет 2, 26 МДж/кг.

При расчетах следует учитывать размерность коэффициентов (табл. 3.2) и парообразования (1 МДж = 10³ кДж = 10⁶ Дж).

Пример расчета

Задача: расплавить 1500 г свинца, находящегося при температу­ре-25 °С.

Сначала определяем (табл. 3.2) затраты тепла на нагрев свинца от -25 °С до температуры плавления +327 °С:

бнагр.св = 0, 13 кДж/(кг-К) • 1, 5 кг • (327 + 25) К = 68, 6 кДж.

Далее находим (табл. 3.3) затраты тепла на процесс плавления свинца:

£? плавл. св. = 23, 0 кДж/(кг-К) • 1, 5 кг = 34, 5 кДж.

Суммарные затраты тепла составят:

Qz = 68, 6 + 34, 5 - 103, 1 кДж.

В табл. 3.3 даны варианты материалов, их начальных темпера­тур и конечных фазовых состояний.

Таблица 3.3

Варианты* фазовых превращений материалов

	Материал	Масса, г	Начальная температура, °С	Задание на нагрев
	Лед		-10 °С	Вскипятить
	Лед		-25 °С	Вскипятить
	Лед		^0°С	Вскипятить
	Лед		0°С	Нагреть воду до +40 °С
	Лед		-20 °С	Растопить лед
	Вода		+10 °С	Вскипятить воду
	Вода		+10 °С	Вскипятить воду
	Вода		+30 °С	Вскипятить воду
	Вода		+30 °С	Испарить воду
	Вода		+20 °С	Испарить воду
	Вода		+20 °С	Испарить воду
	Вода		+10 °С	Испарить воду
	Вода		+30 °С	Испарить воду
	Вода		+40 °С	Испарить воду
	Алюминий		-30 С	Расплавить
	Алюминий		+30 °с	Расплавить
	Алюминий			Расплавить
	Медь		-30 °С	Расплавить
	Медь		+30 °С	Расплавить
	Сталь		-30 °с	Расплавить
	Сталь		-30 °С	Расплавить
	Сталь		0°С	Расплавить
	Олово		-20°С	Расплавить
	Олово		-30°С	Расплавить
	Олово		0°С	Расплавить
	Свинец		-30°С	Расплавить
	Свинец		-20 °С	Расплавить
	Свинец		°С	Расплавить
	Алюминий		+20 °С	Расплавить
	Олово		+20 °С	Расплавить

*3десь и далее номер варианта совпадает с порядковым номером бакалавра в списке группы.

Содержание отчета

1. Определить гигрометром ТЕМП-3.2.1: температуру...°С и влажность Wh..., % воздуха, точку росы... °С для помещений.

2. Используя рис. 3.2 для определенных прибором (пункт 1) температуры... °С и влажности W_h...% воздуха, найти предельное С_ч„... г/м³ и фактическое количество воды в воздухе С_Чф... г/м³; гра­фически найти точку росы... °С и сравнить... со значением..ука­занным прибором.

Рис. 3.2. Влияние температуры воздуха на количество воды в граммах, содержа­щееся в 1 м3 насы­щенного водяными парами воздухе Свд, и схема определения точки росы

3. Объединенные результаты определения точки росы воздуха:

№	Место определения	Температура, °С	Влажность, %	Кол. воды в воздухе, г/м3	Точка росы, °С, определенная
графически	прибором
	Лаборатория
	Коридор
	Улица

4. Указать фазовые превращения для... материала (см. табл. 3.3) и значения коэффициентов:

№	Температура фазовых превращений, °С	Название фазовых превращений	Коэффициенты фазовых превращений
наименование	значение	размерность

5. Обобщить результаты определения теплопроводности X материалов всех бригад студентов:

Наименование материалов	Теплопроводность X, Вт/(м-К)

6. Построить диаграммы Парето по теплопроводности этих материалов.

7. Определить теплофизические характеристики ограждающих конструкций:

Ограждающая конструкция	Дата и время измерения	Температуры, °С	Плотность теплового потока, Вт/м2	Приме­чания
наружная	внутренняя

8. Расчет расхода количества теплоты кДж на фазовые превра­щения материала... по варианту №... от... °С до фазы.

Работу выполнил. Группа. Дата

4 Влияние влажности материалов на теплопроводность

Цель работы: выявить влияние влажности на теплопровод­ность материалов.

Оборудование: весы торговые РН-10Ц13У и электронные XJ- 2K810S, измерители теплопроводности МИТ-1, ИТС-1 и влажности материалов ВИМС-2.

Образцы материалов: песок, древесина.

Порядок выполнения работы:

1. Бакалавры объединяются в бригады по три человека.

2. Половине (4...5) бригад подготовить навески песка различ­ной влажности и определить влажность и теплопроводность для ' «своей» навески песка.

3. Бакалаврам остальных бригад определить для «своего» об­разца древесины влажность и теплопроводность.

4. Объединить полученные значения влажности и теплопро­водности этих материалов.

5. Аппроксимировать полученные значения уравнениями вто­рой степени и построить графики зависимости теплопроводности материалов (песка и древесины) от влажности.

4.1. Влажность и теплопроводность материалов

Материалы строительных конструкций работают в воздушно­влажных атмосферных условиях, а многие из них (стены, подвалы, фундаменты) и во влажной среде. Это может привести к ухудшению свойств материалов и к снижению срока службы строительных кон­струкций.

С увеличением влажности увеличивается объем материалов (разбухают древесина, ДСП и др.), снижается их прочность и повы­шается теплопроводность.

Влажность характеризуется относительным содержанием воды в твердом теле, порошке или газе:

где - масса материала во влажном состоянии; -масса сухого материала.

Вода может поглощаться материалом из окружающей среды (воздуха или почвы). Это будет гигроскопическая влага.

Свойство материала при непосредственном соприкосновении с водой впитывать и удерживать ее в своих порах называется водопоглощением (прил. 2).

Водопоглощение определяется по объему или по массе :

Где - объем и масса воды, которую поглощает образец; - объем и масса материала образца.

Соотношение между этими величинами зависит от относительной по воде плотности материала :

.

Водопоглащение во многом зависит от характера пористости материала (прил.2). Некоторые пористые материалы при изменении влажности изменяют свои размеры (объемы).

Усадка – это уменьшение размеров материала при его высыхании, т.е. при снижении влажности. Обратный процесс усадки – набухание, происхобящее при насыщении материала водой.

Естественно, чем выше пористость материала, тем больше усадка. Так, максимальная усадка у древесины (пористость до 67%) – 30…100 мм/м, средняя усадка у кирпича керамического (пористость 32%) – 0, 003…0, 1 мм/м и минимальная –у гранита (пористость 0, 5…1%) – 0, 002…0, 06 мм/м.

Повторяющиеся циклы высыхания и увлажнения таких строительных материалов, как асфальт, бетон, кирпич и древесина, приводят к образованию трещин и разрушению материала.

Морозостойкость кирпича, бетона и других пористых материалов – это способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократное попеременное (циклическое) замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения. Морозостойкость оценивается маркой морозостойкости (F25, F35, F50, F100…), показывающей количество циклов попеременного замораживания и оттаивания, которые выдерживают образцы материала при допустимом снижении их прочности на сжатие и потере массы, указываемым в соответствующих ГОСТах на испытание.

Хладостойкостъ - это способность материалов противостоять действию отрицательных температур.

Теплопроводность - это свойство материала передавать тепло от одного тела другому. Величина теплового потока в единицу вре­мени зависит не только от разности температур (Т\ - Т₂) на противо­положных сторонах изделия, от площади F и толщины изделия h, но и существенно от теплопроводности материала X:

, Вт

Отсюда следует, что теплопроводность λ – это отношение произведения количества тепла Q проходящего через пластину материала, на толщину пластины h, отношение к ее площади F и к разности температур на ее сторонах :

.

Отсюда размерностью теплопроводности будет

.

Теплопроводность материала зависит от его физических свойств (строения, структуры и пористости), от температуры и влажности.

4.2. Методика исследования

4.2.1. Подготовка образцов

Берем 4...5 исходных навесок песка массой 1, 5...2, 0 кг. При­бором ВИМС-2 определяем начальную влажность песка. Для увели­чения влажности других навесок песка в них добавляем воду (по 40, 80, 120 и 160 г), тщательно перемешиваем и выдерживаем некоторое время. После этого для каждой навески определяем прибором ВИМС-2 влажность, а с помощью зондового датчика прибором МИТ-1 - теплопроводность песка.

Образцы древесины одного вида (береза, сосна, ...) для получе­ния различной влажности заранее готовят выдержкой их в воде разное время.

Влажность древесины находим с помощью объемно-планарного датчика прибором ВИМС-2, а теплопроводность - приборами ИТС-1 или МИТ-1.

4.2.2. Измерение влажности песка и древесины

Измеритель влажности ВИМС-2 предназначен для измерения влажности строительных материалов (песка, легких и тяжелых бето­нов, кирпича силикатного и керамического) и древесины (пиломате­риалов, деталей и изделий из химически необработанной древесины).

Влагомеры выпускаются с настройкой по усредненным харак­теристикам. Для повышения точности измерения рекомендуется ин­дивидуальная градуировка.

Основные технические характеристики прибора ВИМС-2:

1. Диапазоны измерения влажности:

- древесины 5...30%;

- песка строительного 1.. Л 2%.

2. Пределы допускаемой погрешности измерения влажности:

- древесины ± 4, 0%;

- песка строительного ± 2, 0%.

Диэлектрическая проницаемость воды во много раз выше, чем у большинства материалов, способных поглощать воду, поэтому ди­электрическая проницаемость материала дает достоверную инфор­мацию о его влажности.

Преобразование сигнала датчика в значение влажности произ­водится по формуле

,

Где Т – значение сигнала датчика влажности; - коэффициенты преобразования (градуировочные коэффициенты).

Предельная глубина проникновения высокочастного поля в материал составляет 30 мм, при этом наибольшее влияние на результат оказывают поверхностные слои материала. На точность измерений существенное влияние оказывают анизотропия материалов, качество поверхности и стабильность материалов по плотности.

Влагомер ВИМС-2 состоит из измерительного блока, имеющего на лицевой панели девятиклавишную клавиатуру и графический дисплеи, в верхней торцевой части корпуса установлен разъем для подключения внешнего датчика, слева от него расположены элементы инфракрасного канала связи с компьютером для передачи и обработки информации. На обратной стороне измерительного блока расположены электроды встроенного ёмкостного преобразователя.

Объемно-планарный датчик предназначен для контроля влажности твердых и сыпучих материалов. Зондовый датчик используется для контроля влажности в глубинных слоях твердых, сыпучих и пластичных материалов.

Пункт главного меню «Установка нуля» позволяет установить начальные показания датчика влажности по воздуху. Для этого необходимо войти в данный пункт меню, нажав клавишу «F». Появится сообщение: «Установить 0?», если «Да» - нажать «J,».

Установку нуля датчика необходимо выполнять при каждом включении влагомера и периодически при работе (интервал 10…20 минут) с целью компенсации погрешностей. При выполнении данной процедуры чувствительный элемент датчика должен находиться на воздухе, на расстоянии не менее 20 см от каких-либо предметов. Для возврата в основное меню повторно нажать клавишу «F».

Пункт главного меню «Материал» служит для обозначения исследуемого материала. Для удобства пользователя материалы разбиты на несколько групп: Древесина, Бетон, Кирпич, Сыпучие и Новые материалы. Выбор одного из материалов (сосна, дуб, лиственница, «без имени 1...8» и т.д.) осуществляется клавишами «|» и «I», выбор группы материалов - клавишами «< —», «—>».

Для каждого материала имеются установленные в микропроцессоре индивидуальные градуировочные коэффициенты. Они находится в меню «Параметры», подменю «Калибровочные коэффициенты».

Для новых материалов «без имени 1...8» пользователи могут самостоятельно программировать имя материала и задать собственные градуировочные коэффициенты.

Пункт главного меню «Режимы» позволяет перейти к подменю выбора режимов измерения и режимов индикации результатов.

Пункт меню «Измерение» дает пользователю возможность выбрать режим измерения:

- непрерывный режим: влагомер непрерывно производит измерения и отображает их на дисплее;

- ручное сканирование: влагомер производит единичное измерение по нажатию клавиши «М» и выдаёт результат на индикатор, для следующего замера необходимо повторно нажать «М»; после выполнения заданного числа измерений (задаётся в меню «Парамет­ры», подменю «Количество замеров») прибор выдаёт на табло сред­нее значение влажности.

Пункт меню «Индикация» дает пользователю возможность вы­брать обычную форму, т.е. цифровое значение («Основной») или графическую форму индикации результата измерении влажности («Линейный»).

Пункт главного меню «Параметры» содержит следующее подменю:

«Датчики» - служит для выбора вида рабочего датчика: планар­ный, объемный или зондовый.

Режим измерений влажности

Для перехода в режим измерений необходимо нажать клавишу «М». Если перед этим не был установлен нуль датчика, то влагомер предлагает это сделать. После установки нуля влагомер следует пе­ревести в режим измерений, и он готов к работе. В пункте главного меню «Режимы» имеются подменю «Измерение» и «Индикация».

Для выхода из режима измерения в режим меню следует нажать клавишу «F».

Проведение измерений

Убедиться в правильном выборе вида датчика влажности и вида материала, произвести установку нуля датчика. Нажатием клавиши «М» перевести влагомер в режим измерения влажности.

При работе с объемным датчиком необходимо загружать мате­риал в датчик тремя слоями и трамбовать каждый слой с усилием около 1 кг до момента стабилизации показаний прибора, когда даль­нейшее уплотнение не вызывает рост показаний более чем на 0, 1...0, 2%. Загружаемый материал должен заполнить весь объем датчика.

При работе с влагомером установить датчик на контролируе­мый объект, обеспечив плотное прилегание к поверхности, и после установления показаний считать результат. Датчик прижимать с усилием около 1 кг.

Зондовый датчик поместить на требуемую глубину в сыпучий или пластичный материал; сверлом или буром сделать скважину диаметром 6^{+0, 1} мм необходимой глубины. Измерение можно вы­полнять при различных уровнях погружения зонда, но при этом сле­дует иметь в виду, что для повышения точности измерений глубина погружения зонда должна быть не менее 60...65 мм и объем изме­ряемого материала должен быть не менее сферы радиусом 60 мм.

Для фиксации какого-либо результата в режиме непрерывного измерения необходимо нажать клавишу «М», при этом на дисплее на несколько секунд появятся результат, номер измерения, вид дат­чика, время и дата.

4.2.3. Измерение теплопроводности материалов

Для измерения теплопроводности используются приборы МИТ-1 и ИТС-1 (см. лаб. раб. №3).

4.3. Выявление функциональных зависимостей

С помощью программы «аппроксимация» получить уравнения 2-й степени зависимостей коэффициентов теплопроводности для песка и для древесины соответственно от влажности песка и древесины .

Содержание отчета

1. Напишите формулу влажности материала.

2. Приведите схему потерь тепла через ограждающую конструкцию.

3. Представьте формулу потерь тепла через ограждающую конструкцию и укажите размерность ее составляющих.

4. Теплопроводность λ с увеличением значений нижеуказанных факторов повышается (↑) или снижается (↓): плотности материала…, влажности…, температуры…, пористости…

5. Расчет влажности навески песка:

№	Количество песка, г	Исходная влажность, %	Добавлено воды, г	Влажность, %

6. Влияние влажности на теплопроводность песка:

№	Влажность , %	Теплопроводность , Вт/(м∙ К)

7. Влияние влажности на теплопроводность древесины:

№	Влажность , %	Теплопроводность , Вт/(м∙ К)

8. Построить зависимости: и .

Работу выполнил Группа Дата.

 

 

5 Свойства металлов и сплавов

Цель работы: изучить основные свойства металлов и сплавов, научиться определять твердость и ударную вязкость металлов раз­личными приборами и методами.

Оборудование и приборы: твердомеры Бринелля и Роквелла, измерительный микроскоп, маятниковый копер КМ-5, ультразвуко­вой УЗИТ-З и динамический ЭЛИТ-2Д твердомеры, штангенциркуль.

Порядок выполнения работы:

1. Подобрать материал и технологию изготовления выбранной бакалавром детали.

2. Изучить классификацию и методы определения свойств ме­таллов.

3. Определить ударную вязкость металла.

4. Замерять твердость нескольких металлов и сплавов.

5. Расшифровать твердость пяти материалов.

6. Изучить методику испытания металлов на растяжение.

Введение

Надежность машиностроительных изделий (машины, механиз­мы, приборы инструменты, бытовые устройства и т.д.) и строитель­ных конструкций определяется качеством деталей, сборочных и ис­пытательных работ.

Научно-технический прогресс в области развития производст­венных сил и улучшения условий жизни человека приводит к появ­лению более современных машин и конструкций, элементы которых воспринимают все большие скорости взаимного перемещения, на­грузки и температуры.

При разработке новых конструкций во многих случаях нельзя использовать ранее применяемые материалы, так как в этом случае необходимо увеличивать размеры сечений и поверхностей и, следо­вательно, габариты и вес конструкций. Поэтому наряду с совершен­ствованием конструкций изделий непрерывно идет разработка но­вых, более совершенных материалов.

 

Используемые металлы и сплавы должны обеспечивать стати­ческую и динамическую прочность деталей, гарантировать от опас­ности усталостного разрушения, обеспечивать необходимую корро­зийную стойкость и высокую износостойкость трущихся поверхно­стей и, как результат этого, высокую надежность и долговечность конструкций.

Свойства металлов и сплавов можно разделить на группы:

- химического состава;

- физических свойств (прил. 3);

- макро- и микроструктуры;

- механических характеристик;

- экологических показателей;

- технологических свойств;

- эксплуатационных свойств;

- экономических показателей.

Эти группы свойств взаимосвязаны между собой. Так, химиче­ский состав в совокупности с технологией производства материалов и деталей определяет макро- и микроструктуру металла и сплава, что, в свою очередь, влияет на механические и технологические свойства и определяет в целом результирующие показатели качества материала - эксплуатационные свойства (надежность и долговеч­ность изделия) и в целом экономическую эффективность его исполь­зования.

5.1. Химический состав

Чистые металлы (правильнее следует называть их технически чистыми металлами, так как они обязательно содержат какие-то примеси, даже и в очень маленькой доле) редко используются, по­скольку практически все они обладают более низкими свойствами, чем сплавы. Так, железо («технически чистое», с малым содержани­ем углерода, примесей серы, фосфора и др. химических элементов), используемое в XVII-XIX вв., сначала было вытеснено лучшими по свойствам углеродистыми сталями, состоящими из железа и углеро­да (до 1, 3%), а позднее - легированными (марганцем, кремнием, мо­либденом, вольфрамом и другими химическими элементами в раз­личных комбинациях) сталями.

Металлы и сплавы делятся на две группы:

1) черные металлы (железо и сплавы: стали и чугуны, имеющие в своей основе железо);

2) цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные, цинко­вые, титановые, оловянистые и др.).

Наибольшее распространение имеют черные металлы, так как при своей относительно низкой стоимости они обладают достаточ­но высокими значениями прочности и долговечности.

В реальных механизмах сопрягаемые детали изготовляются из различных материалов. Так, вал изготовляется из стали, обладающей высокой твердостью, а подшипник скольжения - из мягкого сплава (меди, бронзы, олова и др.).

5.2. Макро- и микроструктура металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов в основном определяются их внутренним строением - структурой. Различия в свойствах металлов обусловливаются природой атомов. Так, атомы железа не сходны с атомами алюминия или меди и других элементов, поэтому каждый металл имеет свои индивидуальные свойства. Но не только приро­дой атомов определяются свойства металлов. Они зависят еще и от того, как атомы связаны между собой, каково расстояние между ни­ми, каков порядок их расположения. Если изменить расстояние меж­ду атомами или их размещение, то изменятся и свойства металла.

В твердых телах атомы могут располагаться либо беспорядочно (аморфные тела), либо в определенном порядке (кристаллические тела). Атомы кристаллических тел размещаются в строгом, геомет­рически правильном порядке. Все металлы и их сплавы являются кристаллическими телами.

Любой металл состоит из огромного количества кристаллов, плотно примыкающих друг к другу. На свойства металлов влияют не только порядок расположения атомов внутри кристалла, но и форма отдельных кристаллов, их размеры и границы соприкоснове­ния. Эти факторы оказывают большое влияние на механические свойства металлов.

Если порядок расположения атомов - природное свойство ме­талла, то форма кристаллов и их размеры определяются процессом перехода металла из жидкого состояния в твердое. В результате затвердевания образуется структура, состоящая из различных по ве­личине зерен. Структура металлов и сплавов может быть очень сложной и состоять из смеси чистых металлов, твердого раствора различных элементов в металле и химических соединений ком­понентов, входящих в сплав.

Величина и форма кристаллов, образовавшихся при затвердева­нии, не остаются постоянными. При нагревании или деформирова­нии металлов и сплавов (ковка, прокатка, штамповка и др.) их структура меняется. Этим пользуются для получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Кристаллическое строение можно наблюдать при рассмотрении поверхности излома какого-либо металлического изделия. Напри­мер, у литой стали в изломе видна крупнозернистая структура, а по­сле термической обработки она становится мелкозернистой. Более полное представление о кристаллической структуре металла получа­ется при рассмотрении шлифованной и полированной его поверхно­сти после обработки (протравливания) специальными химическими реактивами.

Различают макро- и микроструктуру металла. Макроструктурой называют строение металла, различимое на полированной и про­травленной поверхности макрошлифа при увеличении его под мик­роскопом (лупой) до 30 раз. При этом выявляются структурные по­роки - наличие посторонних включений, газовых пузырьков, рыхло­сти и др. Микроструктура - строение металла, видимое на полиро­ванной и протравленной поверхности микрошлифа при увеличении в 100...300 и более раз. Микроструктура дает представление о гра­ницах между зернами, позволяет судить об их очертаниях и разме­рах и определять количество, форму и расположение структурных составляющих.

Материалы, имеющие один и тот же химический состав, могут иметь разную структуру. Например, серый и белый чугун могут иметь одинаковое количество углерода, но в первом он находится в виде графита, а во втором в ви