Penerapan bahan konstruksi. Properti dan klasifikasi bahan struktural

BAHAN KONSTRUKSI, bahan yang dimaksudkan untuk pembuatan struktur (bagian mesin atau mekanisme, instrumen, struktur, kendaraan, dll) yang dapat menahan beban mekanis. Bahan struktural (tidak seperti bahan teknis lainnya - optik, isolasi, pelumas, cat dan pernis, dekoratif, abrasif, dll.) harus memiliki kekuatan struktural yang tinggi, memastikan pengoperasian yang andal dan jangka panjang dalam kondisi pengoperasian. Kriteria kualitas utama bahan struktural meliputi parameter ketahanan terhadap beban eksternal (statis, siklik, dan guncangan) - kekuatan, kekuatan spesifik (terutama untuk bahan struktural yang digunakan dalam pesawat terbang dan peroketan), ketahanan panas, daya tahan dan ketangguhan patah (ketahanan bahan terhadap retak). ). Dalam beberapa kasus, karakteristik penting dari material struktural juga adalah keausan, ketahanan termal dan korosi, kemampuan las, kemampuan pengerasan, dll. Sifat mekanik material struktural dipengaruhi (kebanyakan secara negatif) oleh lingkungan kerja, menyebabkan kerusakan permukaan akibat retak korosi atau a perubahan komposisi kimia lapisan permukaan sebagai akibat dari kejenuhan dengan unsur-unsur yang tidak diinginkan (misalnya hidrogen, yang menyebabkan penggetasan struktur logam). Bahan struktural digunakan dalam rentang suhu yang luas - dari -269 hingga 2500 °C; Untuk memastikan kinerja pada suhu tinggi, material harus tahan panas, dan pada suhu rendah, tahan dingin. Kualitas suku cadang manufaktur bergantung pada kemampuan manufaktur bahan struktural (kemampuan mesinnya dengan pemotongan, tekanan, kemampuan untuk menuang, dll.).

Bahan struktural dibagi: menurut sifat bahan - menjadi bahan logam, non-logam dan komposit, menurut desain teknologi - menjadi cacat (digulung, ditempa, dicap, profil diekstrusi, dll.), dicor, disinter, dicetak, direkatkan, dilas (dengan peleburan, ledakan, penyambungan difusi, dll.); menurut kondisi pengoperasian - untuk pengoperasian pada suhu rendah, tahan panas, korosi, kerak, keausan, bahan bakar, tahan minyak, dll.; menurut kriteria kekuatan - untuk bahan dengan kekuatan rendah dan sedang dengan pasokan besar keuletan dan kekuatan tinggi dengan margin keuletan sedang.

Bahan struktur logam yang paling banyak digunakan adalah baja struktural dan besi cor. Baja struktural dicirikan oleh berbagai kekuatan tarik - 200-3000 MPa; digunakan dalam konstruksi, mobil, pesawat terbang, traktor, pembuatan kapal, dll. Kekuatan tarik besi tuang, tergantung pada paduannya, berkisar antara 110 MPa (chugal) hingga 1350 MPa (besi tuang paduan magnesium). Besi cor banyak digunakan dalam teknik mesin untuk pembuatan rangka, poros engkol, roda gigi, silinder mesin pembakaran internal, suku cadang yang beroperasi pada suhu hingga 1200 ° C dalam lingkungan pengoksidasi, dll. Paduan berbahan dasar logam non-besi juga banyak digunakan. digunakan dalam berbagai bidang teknologi. Paduan nikel dan paduan kobalt mempertahankan kekuatan dan ketahanan panas hingga 1000-1100 °C, paduan intermetalik berdasarkan senyawa Ni 3 Al - hingga 1200 °C; digunakan dalam mesin pesawat terbang dan roket, turbin uap dan gas, perangkat yang beroperasi di lingkungan agresif, dll. Paduan aluminium secara signifikan lebih unggul daripada baja dalam kekakuan spesifik, kekuatan tarik paduan tempa hingga 750 MPa, dan paduan cor - hingga 550 MPa; digunakan untuk pembuatan lambung pesawat terbang, helikopter, rudal, kapal, dll. Paduan magnesium dicirikan oleh kepadatan rendah (4 kali lebih kecil dari baja) dan memiliki kekuatan tarik hingga 400 MPa dan lebih tinggi; digunakan terutama dalam bentuk bagian cor dalam struktur pesawat terbang, dalam industri otomotif, dalam industri percetakan, dll. Paduan titanium (kekuatan tarik hingga 1600 MPa atau lebih) lebih unggul daripada paduan baja dan aluminium dalam kekuatan spesifik, ketahanan terhadap korosi dan kekakuan; digunakan untuk pembuatan kompresor mesin pesawat terbang, peralatan untuk penyulingan minyak dan industri kimia, dll. Paduan zirkonium, bersama dengan penampang penyerapan neutron termal yang kecil, memiliki kekuatan, keuletan dan ketahanan terhadap korosi di lingkungan yang agresif; digunakan dalam energi nuklir untuk elemen struktur inti reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir. Peningkatan sifat kinerja bahan struktur logam yang dihasilkan dengan metode tradisional dikaitkan dengan penggunaan serbuk logam paduan dan nanokristalin.

Bahan struktur nonlogam meliputi bahan polimer, keramik, refraktori, kaca, karet, dan kayu. Termoplastik (polistirena, polimetil metakrilat, poliamida, fluoroplastik), serta plastik termoset, digunakan di bagian peralatan listrik dan radio, unit gesekan yang beroperasi di berbagai lingkungan, termasuk yang aktif secara kimia: bahan bakar, minyak, dll. Kacamata (silikat, kuarsa, organik ) dan tripleks berdasarkan padanya digunakan untuk kaca kapal, pesawat terbang, dan rudal; Bagian yang beroperasi pada suhu tinggi terbuat dari bahan keramik. Refraktori digunakan terutama dalam metalurgi besi dan non-besi dalam pembuatan lapisan tahan api dalam unit yang beroperasi pada suhu tinggi (lebih dari 900 °C). Karet berbahan dasar berbagai karet, diperkuat dengan kain tali, digunakan untuk produksi ban atau roda monolitik pesawat terbang dan mobil, serta berbagai segel bergerak dan tetap. Kayunya digunakan sebagai bantalan, penunjang industri batubara dan pertambangan, hingga produksi struktur bangunan, rumah, dll.

Bahan struktur komposit 50-100% lebih unggul daripada baja atau paduan aluminium dalam kekuatan spesifik dan modulus elastisitas spesifik serta memberikan pengurangan berat struktur sebesar 20-50%. Bahan struktur komposit (plastik yang diperkuat serat karbon, organoplastik, organotextolites, plastik aluminium fiberglass, dll.) banyak digunakan dalam struktur pesawat terbang, roket, teknik tenaga, teknik transportasi, dll.

Produksi bahan struktural baru dengan sifat yang lebih baik (dibandingkan dengan bahan struktural tradisional) dikaitkan dengan sintesis bahan dengan struktur submikroskopis dari unsur-unsur yang memiliki sifat pembatas (sangat kuat, tahan api, stabil secara termal), serta dengan penggunaan bahan struktural. metode khusus manufaktur (secara signifikan meningkatkan kekuatan dan daya tahan bahan). Misalnya, untuk bahan struktur logam, kristalisasi terarah baja dan paduan digunakan untuk menghasilkan bagian cor dengan struktur butiran berbentuk kolom, bagian kristal tunggal yang terbuat dari paduan nikel dengan orientasi kristalografi tertentu relatif terhadap tegangan operasi (bilah turbin gas); untuk bahan struktur non-logam, metode orientasi makromolekul linier digunakan bahan polimer, modifikasi dengan nanopartikel (fullerene, nanotube, nanofibers), pembuatan nanokomposit polimer.

Lit.: Teknik Mesin: Ensiklopedia. M., 2001. T. 2/3: Logam dan paduan non-ferrous. Bahan logam komposit / Ed.-comp. I.N.Fridlyander; Bolton W. Bahan struktural: logam, paduan, polimer, keramik, komposit. edisi ke-2. M., 2007.

Bahan struktural, bahan dari mana bagian struktur (mesin dan struktur) dibuat yang menyerap beban daya. Parameter penentu bahan struktural adalah sifat mekanik, yang membedakannya dari bahan teknis lainnya (optik, isolasi, pelumas, cat, dekoratif, abrasif, dll.). Karena kenyataan bahwa bagian dari mekanisme modern beroperasi di bawah beban bolak-balik yang kompleks, suhu tinggi, dll., kriteria kualitas utama bahan struktural mencakup parameter ketahanan terhadap beban eksternal: kekuatan, ketangguhan, keandalan, masa pakai. Bahan struktural utama adalah paduan logam berbahan dasar besi (besi cor dan baja), tembaga (perunggu dan kuningan), timah dan timah.

Paduan berbahan dasar besi. Besi cor. Menjadi. Klasifikasi baja, nilai baja. Aplikasi pada perangkat mekanis (poros, roda gigi, pengencang).

Besi cor

Ini adalah paduan besi dan karbon yang mengandung campuran mangan, silikon, fosfor dan belerang yang konstan, serta, jika perlu, elemen paduan.

Tergantung pada struktur dan keadaan di mana karbon berada (bebas atau terikat secara kimia), besi cor berwarna abu-abu, putih, dan mudah dibentuk dibedakan. Besi cor juga diklasifikasikan tergantung pada tujuannya - menjadi struktural dan dengan sifat khusus; dan berdasarkan komposisi kimianya – menjadi paduan dan murni.

Bahan struktural yang paling banyak digunakan adalah besi cor kelabu, dimana semua karbon berada dalam keadaan bebas dalam bentuk inklusi grafit berbentuk pelat. Mereka memiliki kekuatan rata-rata, pengecoran yang baik dan sifat teknologi lainnya (fluiditas, penyusutan linier rendah, kemampuan mesin), tidak sensitif terhadap konsentrasi tegangan bolak-balik, dan anti-gesekan.

Pada besi cor putih, kelebihan karbon yang tidak larut dalam larutan padat besi terdapat dalam bentuk besi karbida. Karena sifat mekanik yang rendah - kerapuhan dan kekerasan yang tinggi, kemampuan mesin yang buruk - besi cor putih tidak digunakan sebagai bahan struktural.

Besi tuang lunak diperoleh dari besi tuang putih dengan cara anil selanjutnya hingga grafitnya hancur menjadi serpihan. Bagian yang dibuat darinya mungkin mengalami sedikit deformasi. Mereka memiliki lebih sedikit kerapuhan dibandingkan dengan bagian yang terbuat dari besi cor kelabu, tetapi harganya 30...100% lebih mahal.

Besi cor berkekuatan tinggi dicirikan oleh inklusi grafit berbentuk bulat atau serupa, yang diperoleh dengan memodifikasi besi cor cair dengan aditif magnesium. Grafit nodular sedikit melemahkan dasar logam, yang menyebabkan sifat mekanik yang tinggi. Besi cor berkekuatan tinggi memiliki sifat pengecoran dan kinerja yang baik.

Menjadi

Baja adalah paduan besi tempa dengan karbon dan elemen lainnya.

Berdasarkan komposisi kimianya Baja dibagi menjadi karbon dan paduan.

Dengan sengaja Baja dibagi menjadi struktural, instrumental dan dengan sifat khusus. Paling

Berdasarkan kualitas Baja dibagi menjadi baja biasa, berkualitas tinggi, berkualitas tinggi, dan terutama berkualitas tinggi.

Menurut sifat solidifikasinya dari keadaan cair, tingkat deoksidasi perbedaan dibuat antara baja tenang, semi-tenang, dan baja mendidih.

Perangko baja karbon dengan kualitas biasa ditandai dengan huruf
St (baja) dan nomor dari 0 sebelum 6 , Misalnya St0 – St6. Nomor tersebut sesuai dengan nomor merek konvensional tergantung pada komposisi kimia dan sifat mekanik. Semakin tinggi angkanya, semakin tinggi kandungan karbon dalam baja, semakin tinggi kekuatannya dan semakin rendah keuletannya. Baja ini dibagi menjadi tiga kelompok - A, B Dan DI DALAM. Kelompok baja A telah menjamin sifat mekanik dan tidak mengalami perlakuan panas, grup A tidak ditunjukkan pada grade baja. Untuk kelompok baja B komposisi kimia terjamin untuk kelompok baja DI DALAM– komposisi kimia dan sifat mekanik.

Derajat deoksidasi ditunjukkan dengan indeks di sebelah kanan nomor merek: kp– mendidih, hal- setengah tenang, bekerja sama- tenang. Misalnya, baja St2kp– kelompok baja A, mendidih; BSt3ps– kelompok baja B, setengah tenang; VSt5sp– kelompok baja DI DALAM, tenang.

Baja berkualitas karbon ditandai dengan angka dua digit (08, 10, 15, …, 70) , menunjukkan kandungan karbon rata-rata dalam baja dalam seperseratus persen. Baja ini dapat dibagi menjadi beberapa kelompok. Menjadi 08, 10 memiliki keuletan tinggi, dicap dan dilas dengan baik. Baja karbon rendah 15, 20, 25 Mereka dilas dengan baik dan dikerjakan dengan cara dipotong, dan setelah karburisasi dan perlakuan panas, ketahanan ausnya meningkat.

Baja perkakas karbon ditandai dengan huruf kamu dan angka yang sesuai dengan kandungan karbon dalam sepersepuluh persen, misalnya baja mutu U9 mengandung rata-rata 0,9% karbon.

Baja paduan diberi tanda huruf dan angka yang menunjukkan komposisi kimianya. Digit pertama nilai sebelum huruf menunjukkan kandungan karbon untuk baja struktural dalam seperseratus persen (dua digit), dan untuk baja perkakas dan baja khusus – dalam sepersepuluh. Selanjutnya, penunjukan terdiri dari huruf-huruf yang menunjukkan unsur-unsur paduan mana yang termasuk dalam baja, dan angka-angka yang segera mengikuti setiap huruf yang mencirikan kandungan rata-rata unsur paduan dalam persentase. Angka di belakang huruf tidak ditempatkan apabila kandungan unsur paduannya kurang dari 1,5%. Unsur paduan ditandai dengan huruf berikut: T– titanium, DENGAN– silikon, G– mangan, X– krom, N– nikel, M– molibdenum, DI DALAM– tungsten, dll. Misalnya saja baja tahan karat Х18Н10Т mengandung 18% kromium, 10% nikel dan hingga 1,5% titanium; baja paduan struktural 30ХГС mengandung 0,30% karbon, dan kromium, mangan, dan silikon masing-masing hingga 1,5%; baja paduan perkakas 9ХС mengandung 0,9% karbon, dan kromium dan silikon masing-masing hingga 1,5%. Dalam baja 30ХГС Dan 9ХС silikon lebih dari 0,8%, mangan dalam baja 30ХГС lebih dari 1%.

Sebutan beberapa mutu baja khusus dilengkapi dengan huruf di depannya yang menunjukkan tujuan baja tersebut. Misalnya surat SH– baja bantalan bola ( ШХ15– dengan kandungan kromium ≈ 1,5%), E– teknik elektro, dll.

Paling sering, baja karbon dan paduan berikut digunakan sebagai bahan untuk poros dan gandar: baja berkualitas 40, 45, 50 , baja 40X– untuk poros dengan perlakuan panas; menjadi 20, 20Х– untuk poros kecepatan tinggi pada bantalan biasa dengan karburisasi permukaan jurnal; baja karbon dengan kualitas biasa St4, St5– untuk poros non-kritis tanpa perlakuan panas; baja Х18Н10Т– untuk poros non-magnetik yang tahan korosi.

Dalam pembuatan roda silinder dan bevel, bahan utamanya adalah baja yang dapat diberi perlakuan panas. Pada kecepatan gigi tepi hingga 3 m/s baja berkualitas tinggi digunakan 20, 30, 35 , dan pada kecepatan periferal yang lebih tinggi - baja 45, 50 , baja perkakas U8A, U10A dan baja paduan 20Х, 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 12ХН3А dengan perlakuan panas yang sesuai (normalisasi, pengerasan, perbaikan - pengerasan dengan temper tinggi). Disarankan untuk memilih kekerasan gigi roda gigi (lebih banyak bebannya) sebesar (20 ... 50)HB lebih besar daripada kekerasan gigi roda. Oleh karena itu, mereka berusaha mengambil material roda gigi yang lebih tahan lama dibandingkan material roda.

Baut, sekrup, mur terbuat dari baja karbon dan baja paduan. Pengencang penggunaan umum paling sering dibuat dari baja kelas St3, St4, St5 tanpa perlakuan panas selanjutnya. Bagian yang lebih penting terbuat dari baja 35, 45, 40Х, 40ХН dengan perlakuan panas permukaan atau umum. Sekrup kecil terbuat dari kuningan LS59-1, duralumin D1, D16. Untuk melindungi permukaan pengencang dari korosi dan memberikan warna yang diinginkan, digunakan galvanisasi, pelapisan krom, dan pelapisan kadmium. Pin terbuat dari baja 45, A12, U8. Kunci terbuat dari baja karbon sedang 40, 45, St6.

Paduan berdasarkan tembaga dan aluminium. Klasifikasi, peruntukan, kelebihan dan kekurangan. Penggunaan paduan sebagai bahan struktural pada perangkat mekanis (elemen elastis, penyangga).

Tembaga dan paduannya

Tembaga masuk bentuk murni Hal ini ditandai dengan konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, kemampuan kerja yang baik di bawah tekanan, kekuatan rendah dan digunakan untuk pembuatan bagian konduktif. Lagi aplikasi yang luas menerima paduan tembaga: kuningan dan perunggu. Dalam kuningan, unsur paduan utama adalah seng, dalam perunggu - unsur lainnya.

Unsur paduan dalam kadar paduan tembaga ditandai dengan huruf berikut: A– aluminium, N– nikel, TENTANG– timah, C– seng, DENGAN- memimpin, DAN- besi, gunung– mangan, KE– silikon, F– fosfor, T– titanium.

Kuningan dibagi menjadi paduan ganda dan multikomponen. Dalam bentuk ganda, kandungan sengnya bisa mencapai 50%. Merek kuningan tersebut ditandai dengan huruf L dan angka yang menunjukkan kandungan tembaga dalam persentase, misalnya L59. Untuk meningkatkan sifat mekanik, teknologi dan korosi kuningan, selain seng, berbagai elemen paduan (aluminium, silikon, mangan, timah, besi, timbal) dimasukkan dalam jumlah kecil. Pada tingkat kuningan multikomponen, angka pertama menunjukkan kandungan tembaga rata-rata, dan angka berikutnya menunjukkan unsur paduan. Misalnya kuningan LKS80-3-3 masing-masing mengandung 80% tembaga, 3% silikon dan timbal, dan sisanya adalah seng.

Merek paduan perunggu dan tembaga-nikel masing-masing dimulai dengan huruf Sdr Dan M, dan huruf serta angka berikut menunjukkan adanya unsur paduan dan, karenanya, kandungannya dalam persentase. Misalnya perunggu Brot 5-5-5 mengandung timah, seng dan timbal masing-masing 5% atau paduan tembaga-nikel cupronickel MH19 mengandung 19% nikel.

Perunggu diberi nama berdasarkan unsur paduan utamanya: timah, aluminium, berilium, silikon, dll. Perunggu timah banyak digunakan dan mempunyai ciri khas daya tahan tinggi anti-abrasi, koefisien gesekan geser rendah. Semua paduan tembaga memiliki ketahanan yang baik terhadap korosi atmosferik.

Kuningan dan perunggu digunakan sebagai bahan struktural. Secara khusus, kuningan L63, yang memiliki ciri keuletan tinggi, digunakan untuk pembuatan bagian konduktif dan struktural seperti tip, bushing, ring, dan kuningan. LK80-3L– untuk produksi bagian cor. Perunggu bebas timah BraZH9-4, BRAMts9-2 Mereka memiliki sifat mekanik dan anti-gesekan yang tinggi, diproses dengan baik, dan oleh karena itu digunakan dalam pembuatan roda gigi kecil dan roda cacing, busing bantalan biasa, dan mur penggerak dalam mekanisme sekrup. Perunggu timah memiliki sifat anti-gesekan terbaik.

Perunggu berilium bermutu menempati tempat khusus dalam pembuatan elemen elastis karena kekuatan dan elastisitasnya yang tinggi BrB2. Ini non-magnetik, tahan terhadap embun beku, air tawar dan air asin, dan dapat dilas dan dipotong dengan baik. Ini digunakan untuk pembuatan bagian-bagian penting seperti kontak pegas pembawa arus, pegas, dan membran.

Kekuatan paduan tembaga, terutama kuningan, lebih rendah dibandingkan baja, dan ketahanan korosinya jauh lebih besar. Semua kuningan dan sebagian besar perunggu, kecuali aluminium, disolder dengan baik.

Bahan selongsong harus tahan aus, mudah pecah dan, jika dikombinasikan dengan bahan trunnion, memiliki koefisien gesekan minimum. Untuk jurnal baja kondisi berikut terpenuhi: kapan tekanan tinggi dan kecepatan periferal rendah - perunggu BraZH9-4 dan kuningan LS59-1; pada tekanan dan kecepatan tinggi - perunggu BrOF10-1 Dan SaudaraS-5-5-5.

Pegas antimagnetik kontak dan torsi yang tahan korosi terbuat dari fosfor BrOF 6-0.15, BrOF 4-0.2 dan berilium BrB2 perunggu

Pegas pengukur berbentuk tabung, bellow, membran, dan kotak membran terbuat dari kuningan L62, L68, L80, perunggu BrOF4–0,2.

Strip perunggu digunakan sebagai bahan untuk pegas spiral BroF 6.5-0.15.

Membran logam terbuat dari perunggu fosfor dan berilium.

Bellow dibuat mulus atau disolder dari kuningan L80, perunggu berilium BrB2, BrB2.5.

Pegas berbentuk tabung terbuat dari kuningan L80 atau perunggu.

Aluminium dan paduannya

Aluminium murni jarang digunakan karena kekuatannya rendah. Paling sering, paduan berbasis aluminium digunakan dalam pembuatan suku cadang. Mereka memiliki kepadatan rendah, konduktivitas listrik dan termal yang tinggi, ketahanan terhadap korosi dan kekuatan spesifik. Paduan aluminium, tergantung pada sifat teknologinya, dibagi menjadi paduan tempa dan paduan cor.

Paduan deformasi yang paling banyak digunakan adalah paduan aluminium-tembaga-magnesium dan aluminium-magnesium yang dikeraskan secara termal melalui pengerasan dan penuaan. Yang pertama disebut duralumin (merek D1, D16), dari yang terakhir, tingkat paduan yang paling umum digunakan adalah AMg6. Mereka memiliki sifat mekanik yang tinggi dan diproduksi dalam bentuk batang, lembaran, pipa, dan profil berbentuk. Mereka digunakan untuk bagian dengan beban sedang seperti rak, penutup, ring, dll. Paduan aluminium-magnesium-seng berkekuatan tinggi dapat berubah bentuk B95, yang digunakan untuk bagian dengan beban statis yang meningkat (poros, roda gigi).

Apa yang disebut paduan aluminium sinter dapat dideformasi dan dicirikan oleh sifat kekuatan yang sangat tinggi (modulus elastisitas, kekuatan tarik σ ut dan batas luluh σ y). Mereka datang dalam dua jenis: SAKIT INGUS(bubuk aluminium sinter) dan CAC(paduan aluminium sinter). SAKIT INGUS diperkuat oleh partikel terdispersi aluminium oksida Al 2 O 3 yang terbentuk selama penggilingan bubuk aluminium dalam atmosfer nitrogen dengan suplai oksigen terkontrol. Bubuk dibriket, disinter dan mengalami deformasi - pengepresan, penggulungan, penempaan. Tergantung pada kandungan Al 2 O 3 (kekuatan paduan meningkat dengan meningkatnya aluminium oksida menjadi 20 - 22%), 4 tingkatan dibedakan SAP (SAP-1, SAP-2, SAP-3 Dan SAP-4). Paduan CAC mengandung hingga 25% silikon dan 5% besi. Mereka diperoleh dengan menyemprotkan paduan cair, membuat briket butiran yang dihasilkan dan deformasi selanjutnya. Paduan aluminium sinter digunakan untuk pembuatan komponen dengan beban berat (badan balok, rangka, rak, dll.) dan berbagai profil.

Dari paduan aluminium cor, yang paling banyak digunakan adalah paduan aluminium-silikon – silumin. Mereka memiliki pengecoran yang baik dan sifat mekanik rata-rata. merek silumin AL-2, AL-4, AL-9 digunakan untuk pembuatan coran pada rumah, penutup, braket dan bagian kompleks lainnya dengan beban sedang.

Aluminium dan paduannya sulit untuk disolder.

1.

2. Sumber bahan dan metode produksi aluminium.

3. Sifat dan kegunaan kayu.

4.

1. Klasifikasi sifat bahan struktural. Properti operasional, indikatornya.

Bahan struktural adalah bahan dari mana bagian-bagian struktur (mesin dan struktur) dibuat yang dapat menahan beban gaya. Parameter penentu bahan struktural adalah sifat mekanik, yang membedakannya dari bahan teknis lainnya (optik, isolasi, pelumas, cat, dekoratif, abrasif, dll.). Kriteria kualitas utama bahan struktural mencakup parameter ketahanan terhadap beban eksternal: kekuatan, ketangguhan, keandalan, masa pakai, dll.

Bahan struktural dibagi (Gbr. 1): menurut sifat bahannya - menjadi bahan logam, non-logam dan komposit yang menggabungkan sifat positif dari kedua bahan; menurut desain teknologi - dideformasi (digulung, ditempa, dicap, profil diekstrusi, dll.), dicor, disinter, dicetak, direkatkan, dilas (dengan peleburan, ledakan, penyambungan difusi, dll.); menurut kondisi pengoperasian - untuk pengoperasian pada suhu rendah, tahan panas, korosi, kerak, keausan, bahan bakar, tahan minyak, dll.; menurut kriteria kekuatan - untuk bahan dengan kekuatan rendah dan sedang dengan margin keuletan yang besar, kekuatan tinggi dengan margin keuletan sedang.

Perkembangan teknologi menempatkan tuntutan baru yang lebih tinggi pada material struktur yang sudah ada dan mendorong terciptanya material baru. Untuk mengurangi berat struktur pesawat terbang Misalnya, struktur multilayer digunakan yang menggabungkan ringan, kekakuan dan kekuatan. Penguatan eksternal volume tertutup logam (bola, silinder, silinder) dengan fiberglass dapat mengurangi beratnya secara signifikan dibandingkan dengan struktur logam. Banyak bidang teknologi memerlukan material struktural yang menggabungkan kekuatan struktural dengan sifat listrik, pelindung panas, optik, dan lainnya yang tinggi.

Beras. 1. Skema klasifikasi bahan struktur

Saat memilih bahan untuk produk atau desain tertentu, mereka memperhitungkan kelayakan ekonomi penggunaannya (rasio harga-kualitas), pelestarian kriteria desain (daya tahan, kekuatan, keandalan yang diperlukan) dan kemungkinan pemrosesan menjadi suatu produk (teknologi). kriteria - kemampuan mesin, kemampuan las, keuletan, dll.. P.). Dengan mempertimbangkan kriteria ini, bahan dengan sifat tertentu dipilih.

Bahan logam. Ini termasuk logam dan paduan berdasarkan padanya. Mereka, pada gilirannya, dibagi menjadi beberapa kelompok yang sifatnya berbeda satu sama lain:

1. Logam besi. Ini adalah besi dan paduan berdasarkan itu - baja dan besi cor;

2. Logam non-besi. Kelompok ini mencakup logam dan paduannya, seperti tembaga, aluminium, titanium, nikel, dll;

3. Logam mulia. Ini termasuk emas, perak, platinum; 4. Logam tanah jarang. Ini adalah lantanum, neodymium, praseodymium.

Bahan non-logam. Mereka juga dibagi menjadi beberapa kelompok:

1. Plastik. Ini adalah bahan yang didasarkan pada senyawa bermolekul tinggi - polimer, terutama dengan bahan pengisi;

2. Bahan keramik (keramik). Dasarnya adalah bubuk senyawa tahan api seperti karbida, borida, nitrida dan oksida. Misalnya: TiC, SiC, Cr7C3, CrB, Ni3B, TiB2, BN, TiN, Al2O3, SiO2, ZrO2, dll;

3. Bahan logam-keramik (metal-ceramics). Dalam bahan-bahan ini, bahan dasarnya adalah keramik, yang ditambahkan sejumlah logam tertentu, yang merupakan pengikat dan memberikan sifat-sifat seperti plastisitas dan ketangguhan;

4. Kaca. Ini adalah sistem yang terdiri dari oksida berbagai elemen, terutama silikon oksida SiO2;

5. Karet. Ini adalah bahan berbahan dasar karet - polimer hidrokarbon dengan penambahan belerang dan elemen lainnya;

6. Pohon. Jaringan organik kompleks tanaman berkayu.

Bahan komposit. Mereka adalah bahan yang diperoleh secara artifisial dari dua atau lebih berbagai bahan, sangat berbeda satu sama lain dalam properti. Akibatnya, komposisi tersebut berbeda secara signifikan sifat-sifatnya dengan sifat-sifat komponen penyusunnya, yaitu bahan yang dihasilkan memiliki seperangkat sifat baru. Komposisi material komposit dapat mencakup komponen logam dan nonlogam.

Klasifikasi sifat bahan struktural

1. Peralatan mekanis ditandai dengan kemampuan material untuk menahan deformasi dan keruntuhan di bawah pengaruh faktor pengaruh eksternal.

· Kekuatan – ini adalah kemampuan suatu material untuk menahan kerusakan dan berubah bentuk secara plastis di bawah pengaruh beban eksternal;

· Kekerasan – ini adalah kemampuan material untuk menahan deformasi pada lapisan permukaan di bawah pengaruh lokal, kontak dan gaya;

· Elastisitas - ini adalah kemampuan suatu material untuk mengembalikan bentuk dan ukurannya di bawah pengaruh kekuatan eksternal tanpa kerusakan;

· Viskositas - kemampuan suatu material untuk menyerap energi mekanik dan pada saat yang sama mengalami deformasi plastis yang signifikan sebelum rusak;

· Kerapuhan - ini adalah kemampuan suatu material untuk runtuh di bawah pengaruh gaya eksternal, segera setelah deformasi elastis.

2. Properti fisik mengkarakterisasi permukaan suatu material dalam medan termal, gravitasi, elektromagnetik dan radioaktif.

· Lampu – ini adalah kemampuan suatu bahan untuk memantulkan sinar cahaya dengan panjang gelombang cahaya tertentu;

· Kepadatan adalah massa per satuan volume zat;

· Suhu leleh - ini adalah suhu di mana suatu zat berubah dari padat menjadi cair;

· Konduktivitas listrik - ini adalah kemampuan suatu bahan untuk menghantarkan listrik dengan baik dan tanpa kehilangan listrik;

· Konduktivitas termal adalah kemampuan suatu bahan untuk berpindah Energi termal dari area yang lebih panas ke area yang tidak terlalu panas;

· Kapasitas panas - ini adalah kemampuan suatu bahan untuk menyerap sejumlah panas;

· Sifat magnetik - kemampuan material untuk termagnetisasi dengan baik;

· Koefisien ekspansi volumetrik dan linier – mencirikan perubahan ukuran tubuh dengan perubahan suhu.

3. Sifat teknologi ditandai dengan kemampuan material untuk mengalaminya berbagai jenis pengolahan panas dan dingin.

Properti pengecoran; Ini termasuk ketidakstabilan - kemampuan logam dan paduan mengalir melalui saluran cetakan dan mengisinya. Hunian - mencirikan kemampuan logam dan paduan untuk mereproduksi kontur coran pada bagian yang sangat tipis, di mana aksi gaya kapiler sebagian besar terwujud. Penyusutan volumetrik - mencirikan perubahan volume logam dengan penurunan suhu dalam keadaan cair, selama pemadatan dan selama pendinginan logam keras. Penyusutan linier - mencerminkan perubahan dimensi linier pengecoran setelah pembentukan kerangka kristal kaku pada permukaannya dan pendinginan hingga suhu kamar.

· Daktilitas (penting dalam pemrosesan tekanan) - ini adalah kemampuan logam dan paduan untuk ditempa dan jenis pemrosesan tekanan lainnya (penggulungan, penarikan, pengepresan, pengecapan);

· Kemampuan las (ini adalah indikator seberapa kuat material dapat menunjukkan sambungan las);

· Pemesinan dengan cara memotong;

· pengerasan;

· pengerasan.

4. Properti kinerja mencirikan kemampuan bahan untuk memastikan pengoperasian produk yang andal dan tahan lama dalam kondisi dan pengoperasian tertentu, berdasarkan sifat mekanik, fisik, dan kimia.
Properti operasional. Properti ini ditentukan tergantung pada kondisi pengoperasian mesin melalui pengujian khusus. Salah satu sifat kinerja yang paling penting adalah ketahanan aus, tahan dingin, tahan panas, antifriction, dll.

Ketahanan aus adalah sifat suatu bahan untuk menahan keausan, yaitu perubahan bertahap dalam ukuran dan bentuk suatu benda akibat rusaknya lapisan permukaan produk selama gesekan. Pengujian keausan logam dilakukan pada sampel dalam kondisi laboratorium, dan suku cadang - dalam kondisi pengoperasian nyata. Saat menguji sampel, kondisi gesekan disimulasikan mendekati kondisi nyata. Jumlah keausan sampel atau suku cadang ditentukan cara yang berbeda: dengan mengukur dimensi, menimbang sampel dan metode lainnya.

Ketahanan dingin adalah kemampuan bahan, elemen, struktur dan senyawanya untuk menahan patah getas pada suhu lingkungan rendah.

Ketahanan panas adalah kemampuan logam untuk menahan deformasi dan kerusakan plastis pada suhu tinggi. Bahan tahan panas digunakan untuk pembuatan suku cadang yang beroperasi pada suhu tinggi ketika terjadi mulur. Kriteria untuk menilai ketahanan panas adalah kekuatan jangka pendek dan jangka panjang, mulur.

Anti-gesekan adalah kemampuan suatu material untuk memberikan koefisien gesekan geser yang rendah sehingga kehilangan gesekan yang rendah dan tingkat keausan yang rendah pada bagian kawin.

5. Bahan kimia properti mencirikan kemampuan suatu bahan untuk melakukan interaksi kimia dengan zat lain.

· Kelarutan (kemampuan suatu bahan untuk membentuk sistem homogen yang disebut larutan dengan satu atau lebih zat);

· Tahan panas (kemampuan suatu bahan untuk menahan kerusakan kimiawi pada suatu permukaan di bawah pengaruh udara atau atmosfer pengoksidasi lainnya pada suhu tinggi);

· Tahan korosi (kemampuan bahan logam tahan terhadap kerusakan akibat pengaruh kimia atau elektrokimia pada permukaannya dari lingkungan agresif eksternal (sifat serupa untuk bahan non-logam - ketahanan terhadap bahan kimia ));

· Oksidasi (kemampuan bahan untuk menyumbangkan elektron, yaitu teroksidasi selama interaksi kimia dengannya lingkungan atau hal lain).

2. Sumber bahan dan metode produksi aluminium.

Aluminium adalah salah satu logam terpenting, dan jumlah produksinya jauh melebihi produksi semua logam non-besi lainnya dan menempati urutan kedua setelah produksi baja. Tingginya popularitas aluminium disebabkan oleh sifat fisik dan kimianya yang unik, sehingga aluminium banyak digunakan dalam teknik elektro, konstruksi pesawat terbang dan otomotif, transportasi, produksi peralatan rumah tangga, konstruksi, pengemasan. produk makanan dll.

Baru-baru ini, teknik mesin semakin membutuhkan logam ringan, terutama di bidang manufaktur pesawat terbang, peroketan, industri nuklir, dan transportasi kereta api. Oleh karena itu, pengembangan metode produksi aluminium yang baru dan lebih ekonomis serta penyempurnaan metode yang sudah ada sangatlah penting.

Elektrolisis lelehan kriolit-alumina adalah metode utama untuk memproduksi aluminium, meskipun beberapa paduan aluminium diproduksi dengan metode elektrotermal.

Elektroliser industri pertama memiliki kekuatan arus hingga 0,6 kA dan selama 100 tahun berikutnya meningkat menjadi 300 kA. Namun hal tersebut tidak memberikan perubahan signifikan terhadap fundamental proses produksi.

Skema umum produksi aluminium ditunjukkan pada Gambar. 2. Unit utamanya adalah elektroliser. Elektrolitnya adalah lelehan kriolit dengan sedikit kelebihan aluminium fluorida, di mana alumina dilarutkan. Proses ini dilakukan pada konsentrasi alumina yang bervariasi dari sekitar 1 hingga 8% (berat). Sebuah anoda karbon, yang sebagian dicelupkan ke dalam elektrolit, diturunkan ke dalam bak dari atas. Ada dua tipe utama anoda korban: self-baking dan pre-baked. Yang pertama menggunakan panas elektrolisis untuk menembakkan massa anoda, yang terdiri dari campuran pengisi kokas dan pengikat - pitch. Anoda panggang adalah campuran kokas dan pengikat pitch yang sudah dipanggang sebelumnya.

Beras. 2 Skema produksi aluminium dari alumina.

Aluminium cair pada suhu elektrolisis (950 – 960°C) lebih berat dari elektrolit dan terletak di bagian bawah elektroliser. Lelehan kriolit-alumina sangat agresif, sehingga dapat dilawan oleh bahan karbon dan beberapa bahan baru. Ini digunakan untuk membuat lapisan internal elektroliser.

Untuk mengubah arus bolak-balik menjadi arus searah, pabrik modern menggunakan penyearah semikonduktor dengan tegangan 850V dan koefisien konversi 98,5%, dipasang di gardu induk konverter silikon (CPS). Satu unit penyearah menghasilkan arus hingga 63 kA. Jumlah unit tersebut tergantung pada kekuatan arus yang dibutuhkan, karena semuanya terhubung secara paralel.

Proses yang terjadi di elektroliser terdiri dari dekomposisi elektrolitik alumina yang dilarutkan dalam elektrolit. Pada katoda aluminium cair, aluminium dilepaskan, yang secara berkala dituangkan menggunakan sendok vakum dan dikirim ke departemen pengecoran untuk pengecoran atau mixer, di mana, tergantung pada tujuan selanjutnya dari logam tersebut, paduan dengan silikon, magnesium, mangan, tembaga disiapkan atau pemurnian dilakukan. Oksidasi karbon oleh oksigen yang dilepaskan terjadi di anoda. Gas buang anoda merupakan campuran CO2 dan CO.

Elektroliser biasanya dilengkapi dengan penutup yang menghilangkan gas limbah dan sistem pembersihan. Hal ini mengurangi pelepasan zat berbahaya ke atmosfer. Proses teknologinya mengharuskan shelter ditutup rapat untuk memastikan gas tersedot ke dalam kolektor menggunakan kipas angin. Gas yang dikeluarkan dari elektroliser didominasi oleh karbon dioksida ( kebanyakan karbon monoksida dibakar baik di atas elektrolit atau dalam pembakar khusus setelah bel pengumpul gas), nitrogen, oksigen, gas dan fluorida padat serta partikel debu alumina. Untuk menghapusnya dan mengembalikannya ke proses, berbagai skema teknologi digunakan.

Elektroliser modern dilengkapi dengan sistem pengumpanan alumina otomatis (AGS) dengan periode pemuatan 10 - 30 menit.

Reaksi keseluruhan yang terjadi pada elektroliser dapat direpresentasikan dengan persamaan

Jadi, secara teoritis, proses elektrolisis mengkonsumsi alumina dan karbon dari anoda, serta listrik yang diperlukan tidak hanya untuk melakukan proses elektrolitik - penguraian alumina, tetapi juga untuk mempertahankan suhu operasi yang tinggi. Dalam praktiknya, sejumlah garam fluorida juga dikonsumsi, yang menguap dan diserap ke dalam lapisan. Untuk mendapatkan 1 ton aluminium Anda membutuhkan:

Produksi aluminium merupakan salah satu proses yang paling boros energi, sehingga pabrik peleburan aluminium dibangun di dekat sumber energi.

Semua bahan yang dipasok untuk elektrolisis harus memiliki jumlah minimum pengotor yang lebih elektropositif daripada aluminium (besi, silikon, tembaga, dll.), karena pengotor ini hampir seluruhnya diubah menjadi logam selama elektrolisis.

Produksi elektrotermal paduan aluminium-silikon.

Tidak mungkin memperoleh aluminium murni dengan reduksi langsung oksidanya. Proses karbotermik memerlukan suhu tinggi (sekitar 2000°C) untuk mereduksi alumina, dan jika tidak ada komponen pembentuk paduan, logam akan berikatan dengan karbon, menghasilkan aluminium karbida (A14C3). Diketahui bahwa aluminium karbida dan aluminium saling larut dan membentuk campuran yang sangat tahan api. Selain itu, Al4C3 larut dalam Al2O3, oleh karena itu, sebagai hasil reduksi aluminium oksida dengan karbon, diperoleh campuran aluminium, karbida, dan oksida dengan titik leleh tinggi. Biasanya tidak mungkin mengeluarkan massa seperti itu dari oven. Kalaupun hal ini bisa dilakukan, diperlukan biaya pemisahan yang besar.

Skema teknologi umum untuk produksi paduan aluminium-silikon ditunjukkan pada Gambar. 3. Selain kaolin (Al2O3×2SiO2×2H2O), kyanites (Al2O3×SiO2), distensillimanites (Al2O3×SiO2) dan bauksit rendah besi dapat digunakan sebagai bahan baku.

Setelah peleburan listrik, paduan dikirim untuk pemurnian dari kotoran non-logam. Untuk melakukan ini, fluks yang terdiri dari campuran kriolit dan natrium klorida disuplai, yang membasahi pengotor ini dan “mengumpulkannya”. Silicoaluminium olahan memiliki komposisi rata-rata (%): A1 – 61; Si – 36; Fe – 1,7; Ti – 0,6; Zr – 0,5; Ca – 0,7. Paduan ini tidak cocok untuk produksi silumin dan memerlukan pemurnian dari besi. Metode pembersihan yang paling umum adalah mangan, yang membentuk senyawa intermetalik tahan api dengan besi.

Beras. 3. Skema umum produksi paduan aluminium-silikon.

Paduan yang dihasilkan diencerkan dengan aluminium elektrolitik teknis atau aluminium sekunder hingga komposisi yang sesuai dengan berbagai jenis silumin, dan dituangkan ke dalam ingot.

Keuntungan dari metode produksi silumin dibandingkan fusi aluminium elektrolitik dengan silikon kristal adalah sebagai berikut: daya yang lebih besar dari satu unit - tungku modern memiliki daya 22,5 MB×A, yang kira-kira 30 kali lebih tinggi dari daya a elektroliser 160 kA, dan akibatnya, pengurangan arus kargo, mengurangi biaya modal dan biaya tenaga kerja; penggunaan bahan baku dengan modulus silikon rendah yang cadangannya di alam cukup besar.

Secara teoritis, aluminium murni dapat dipisahkan dari paduan aluminium-silikon menggunakan berbagai teknik. Namun, karena kompleksitas perangkat keras dan desain teknologi, metode ini saat ini tidak diterapkan di industri.

Proses itu

Skema produksi aluminium menggunakan metode Thoth ditunjukkan pada Gambar. 4. Bahan mentah yang mengandung aluminium, setelah persiapan yang tepat, diklorinasi dalam fluidized bed dengan adanya kokas dan SiCl4. Yang terakhir ini digunakan untuk menekan reaksi klorinasi SiO2. Hasil klorinasi dalam tungku fluidized bed (FB) diperoleh campuran uap-gas (VGM), yang meliputi AlC13, FeCl3, TiCl4 dan SiCl4. Pada kondensor pertama, sekitar 75% FeCl3 dalam keadaan padat dipisahkan dari PGS dan dikirim ke reaktor oksidator, di mana ia berinteraksi dengan oksigen atmosfer, menghasilkan pembentukan Fe2O3 dan C12. Klorin dikembalikan untuk klorinasi. Pada kondensor kedua, sisa FeCl3 dilepaskan dan A1C13 mengembun. Titanium dan silikon klorida mengembun di kondensor ketiga. Pemisahan klorida ini dilakukan dalam kolom distilasi.

Beras. 4. Skema produksi aluminium dengan metode Thoth.

Aluminium dan besi klorida yang dikeluarkan dari kondensor kedua dipanaskan dan dipompa ke dalam pembersih kontak, di mana mereka bersentuhan dengan lapisan partikel aluminium padat yang bergerak. Dalam hal ini terjadi reaksi:

Aluminium klorida yang dimurnikan dikirim untuk reduksi metalotermik. Agen pereduksi yang tersedia secara komersial yang memiliki afinitas lebih besar terhadap klorin dibandingkan aluminium adalah natrium, magnesium, dan mangan. Namun, dua elemen pertama mahal dan produksinya sangat boros energi. Oleh karena itu, menurut pengembang proses, penggunaan mangan memiliki keunggulan tertentu, yaitu dapat diregenerasi dari klorida dengan metode karbotermik dengan konsumsi energi yang jauh lebih rendah. Ketika aluminium klorida direduksi dengan mangan, terjadi reaksi berikut:

Aluminium dari campuran MnCl2 dengan AlCl3 yang tidak bereaksi dipisahkan dalam pemisah siklon, dan mangan serta aluminium klorida dipisahkan dalam evaporator. Aluminium klorida dikembalikan ke reaktor untuk menghasilkan aluminium, dan mangan klorida bereaksi dengan oksigen membentuk oksida padat mangan dan klorin. Oksida mangan direduksi menjadi logam dengan metode karbotermik dalam tungku poros yang diisi kokas dan batu kapur. Mangan ditambahkan ke dalam tungku untuk menggantikan kehilangan selama proses.

Kerugian dari proses ini, serta metode metalotermik lainnya, termasuk kontaminasi produk yang dihasilkan dengan logam pereduksi, kebutuhan untuk mengatur produksi untuk regenerasi zat pereduksi, dan peningkatan biaya modal.

Elektrolisis klorida meleleh

Pada bulan Januari 1973, Alcoa, salah satu pemimpin dunia dalam produksi dan pengolahan aluminium, mengumumkan pengembangan metode baru untuk memproduksi aluminium.

Diagram teknologi dasar ditunjukkan pada Gambar. 5.

Aluminium klorida memiliki afinitas tinggi terhadap air dan kecenderungan membentuk oksida dan hidroksiklorida. Dalam hal ini, memperolehnya dalam bentuk murni adalah tugas yang sulit. Kehadiran uap air menyebabkan korosi, dan adanya senyawa yang mengandung oksigen menyebabkan pengendapan dan oksidasi anoda. Alcoa telah mengusulkan klorinasi alumina murni, yang sebagian memecahkan masalah ini. Namun, peningkatan persyaratan kemurnian karbon harus dipenuhi ketika melakukan klorinasi sehubungan dengan hidrogen atau uap air.

Beras. 5. Skema teknologi produksi aluminium dari klorida.

Aluminium klorida yang dihasilkan dalam bentuk butiran atau uap disuplai ke elektrolisis. Elektroliser yang digunakan dalam teknologi ini terdiri dari selubung baja yang dilapisi dengan fireclay dan di bagian bawahnya ditambah dengan batu bata tanah diatom, yaitu bahan tahan api non-konduktif isolasi termal yang berinteraksi lemah dengan klorida meleleh. Di bagian bawah bak mandi terdapat kompartemen grafit untuk menampung aluminium cair. Tutup elektroliser memiliki lubang untuk memuat aluminium klorida, menyedot aluminium secara berkala dan terus menerus mengeluarkan gas klor yang digunakan dalam produksi aluminium klorida. Dinding samping dan tutup elektroliser berpendingin air.

Elektrolisis menggunakan elektroda grafit yang tidak dapat dikonsumsi. Keuntungan ini (dibandingkan dengan elektrolisis lelehan kriolit-alumina), bersama dengan suhu proses yang relatif rendah (sekitar 700ºC), memungkinkan elektroliser ditutup sepenuhnya.

Dekomposisi elektrolitik aluminium klorida secara teoritis memerlukan tegangan yang lebih tinggi daripada elektrolisis lelehan kriolit-alumina, karena tegangan dekomposisi aluminium klorida jauh lebih tinggi. Dengan demikian, kerugian dari proses ini dapat mencakup kebutuhan untuk menyuplai sejumlah besar panas ke elektroliser dan kehilangan tegangan yang signifikan. Namun, kerugian ohmik dan termal yang tinggi berkurang secara signifikan bila menggunakan sistem elektroda bipolar. Pada elektroliser, elektroda atas adalah anoda, bawah adalah katoda, dan di antara keduanya terdapat elektroda grafit, bagian atas adalah katoda dan bagian bawah adalah anoda. Pada saat yang sama, hasil perhitungan menunjukkan bahwa dengan bertambahnya jumlah elektroda bipolar dan penurunan luas penampang, arus bocor meningkat, yaitu sebagian arus mengalir melalui bagian lapisan yang diresapi elektrolit dan saluran antara lapisan dan bipol, tanpa melakukan pekerjaan elektrokimia. Arus bocor ini mengakibatkan berkurangnya efisiensi arus.

Karena kedekatan titik leleh dan titik didih pada tekanan atmosfer, aluminium klorida menyublim secara praktis tanpa meleleh. Suhu sublimasi adalah 180,2°C. Titik tripel berhubungan dengan suhu 192,6°C dan tekanan absolut 0,23 MPa. Dalam hal ini, campuran cair aluminium klorida (5 ± 2% (berat)), litium klorida (~28% (berat)) dan natrium klorida (67% (berat)) digunakan sebagai elektrolit. Dalam lelehan ini, aktivitas AlC13 menurun. Hal ini sebagian besar disebabkan oleh fakta bahwa dalam campuran cair klorida AlC13 terikat menjadi anion kompleks.

Keuntungan utama yang diprediksi dan dikonfirmasi selama penerapan industri di AS dari metode yang diusulkan oleh Alcoa untuk produksi aluminium dengan elektrolisis klorida dibandingkan dengan elektrolisis lelehan kriolit-alumina adalah kemungkinan menggunakan bahan baku yang mengandung aluminium berkualitas rendah. , mengurangi konsumsi energi spesifik selama elektrolisis sekitar 30%, menghilangkan konsumsi bahan elektroda yang mengandung karbon berkualitas tinggi, penggunaan klorida yang tidak terlalu langka dan agresif dibandingkan fluorida, meningkatkan produktivitas tenaga kerja, mengurangi investasi modal, mengurangi biaya , biaya produk akhir dan emisi berbahaya ke lingkungan.

Jadi, metode alternatif yang paling menjanjikan untuk memproduksi aluminium adalah elektrolisis aluminium klorida dalam elektroliser dengan elektroda bipolar.

3. Sifat dan kegunaan kayu.

Sebagian besar wilayah di planet kita ditutupi oleh hutan; hutan menempati sekitar sepertiga daratan. Hasil utama hutan adalah kayu. Menurut jenis vegetasi hutan, hutan jenis konifera di daerah beriklim hangat, hutan hujan khatulistiwa, hutan gugur tropis lembab, dan hutan di daerah kering dibedakan.

Kayu telah digunakan sejak zaman kuno untuk pembangunan rumah, pembuatan barang-barang rumah tangga, alat transportasi dan lain-lain produk yang berbeda. Seiring waktu, selain kayu, logam, semen, ubin, kaca, dan plastik mulai digunakan dalam konstruksi.

Perlu dicatat bahwa kayu juga memiliki sejumlah kelemahan: variabilitas sifat dalam arah sepanjang sumbu batang dan melintang; Ini bersifat higroskopis, yang menyebabkan peningkatan massa dan penurunan kekuatan, dan ketika dikeringkan, ukuran kayu berkurang (terjadi penyusutan); itu retak dan melengkung; dipengaruhi oleh jamur, yang menyebabkan pembusukan; kayu bisa terbakar. Kerugian yang tercantum sebagian besar dihilangkan dengan pengolahan kayu secara kimia dan kimia-mekanis menjadi bahan lembaran dan panel - kertas, karton, papan partikel dan papan serat, kayu lapis, dll.

Pohon dewasa memiliki batang, tajuk, dan akar. Ikatan bagasi sistem akar dengan mahkota pohon. Batangnya menyediakan sebagian besar kayu (dari 50 hingga 90% volume keseluruhan pohon) dan mempunyai kepentingan industri yang besar. Bagian atas batang yang tipis disebut bagian atas, bagian bawah yang tebal disebut pantat. Kayu menempati bagian terbesar dari volume batang. Diameter batang sangat bervariasi, kira-kira 6-8 hingga 100 cm Bentuk penampang batang dan oleh karena itu kayu paling sering mendekati lingkaran, tetapi kadang-kadang penampang berbentuk lingkaran. elips. Diameternya mengecil seiring dengan tinggi batang. Pada batang bagian atas, kayunya ditusuk simpul-simpul yang merupakan sisa-sisa dahan. Bagian luar kayu ditutupi dengan kulit kayu, yang volume relatifnya untuk spesies utama ditunjukkan pada tabel:

SIFAT DASAR KAYU

1. Sifat kimia kayu

Komposisi kimia kayu dan kulit kayu. Kayu sebagian besar terdiri dari bahan organik. Komposisi kimia dasar kayu semua jenis hampir sama. Bagian organik dari kayu yang benar-benar kering (dikeringkan pada suhu 103°C) mengandung rata-rata 49-50% karbon, 43-44% oksigen, sekitar 6% hidrogen, dan 0,1-0,3% nitrogen.

Bagian anorganiknya dapat dikeluarkan dalam bentuk abu melalui pembakaran kayu. Jumlah abu pada kayu sekitar 0,2-1%. Komposisi abu meliputi kalsium, kalium, natrium, magnesium, dan dalam jumlah yang lebih kecil fosfor, belerang dan unsur lainnya. Mereka terbentuk mineral, sebagian besar tidak larut dalam air. Di antara yang larut, tempat pertama ditempati oleh yang bersifat basa - kalium dan soda, dan di antara yang tidak larut - garam kalsium.

Unsur kimia membentuk senyawa organik kompleks. Yang utama adalah selulosa, lignin, hemiselulosa, yang merupakan bagian dari dinding sel kayu. Zat lainnya disebut ekstraktif. Ini adalah resin, tanin dan pewarna.

2. Sifat fisik kayu

Sifat fisik kayu adalah sifat yang ditentukan tanpa melanggar keutuhan benda uji atau mengubah komposisi kimianya, yaitu diketahui melalui pemeriksaan, penimbangan, pengukuran, pengeringan.

KE properti fisik kayu meliputi: penampilan dan bau, kepadatan, kelembaban dan perubahan terkait - penyusutan, pembengkakan, retak dan bengkok.

Kemunculan kayu ditentukan oleh warna, kilap, tekstur dan struktur makronya.

Bau kayu tergantung pada resin yang dikandungnya, minyak esensial, tanin dan zat lainnya. Tumbuhan runjung - pinus dan cemara - memiliki aroma khas terpentin. Oak berbau tanin, sedangkan backout dan rosewood berbau vanilla. Juniper berbau harum, sehingga cabang-cabangnya digunakan untuk mengukus tong. Sangat penting memiliki bau kayu saat membuat wadah. Saat baru dipotong, kayu memiliki bau yang lebih kuat dibandingkan setelah dikeringkan.

Kadar air kayu. Pada pohon yang sedang tumbuh, air diperlukan untuk kehidupan dan pertumbuhannya, pada kayu yang ditebang, keberadaan air tidak diinginkan, karena dapat menimbulkan sejumlah fenomena negatif.

Kadar air kayu (mutlak) adalah perbandingan antara massa air dengan massa kayu yang benar-benar kering, dinyatakan dalam persentase.

Penyusutan. Penyusutan adalah pengurangan dimensi linier dan volume kayu selama pengeringan. Ini dimulai setelah kelembaban bebas sepenuhnya dihilangkan dari kayu dan dari awal hilangnya kelembaban terikat, yaitu ketika kadar airnya menurun melebihi batas saturasi dinding sel.

Pembengkakan adalah sifat kayu yang merupakan kebalikan dari penyusutan dan tunduk pada hukum yang sama. Pembengkakan adalah peningkatan dimensi linier dan volume kayu dengan peningkatan kandungan air terikat.

3 Sifat mekanik kayu

Sifat mekanik mencirikan kemampuan kayu dalam menahan gaya. Sifat mekanik kayu meliputi kekuatan dan deformabilitas, serta beberapa sifat operasional dan teknologi.

Kekuatan – kemampuan kayu untuk menahan kerusakan akibat pengaruh gaya mekanis; karakteristiknya adalah kekuatan tariknya - tegangan maksimum yang dapat ditahan kayu tanpa kerusakan. Indikator kekuatan ditentukan dengan menguji kayu terhadap tekan, tarik, tekuk, geser, dan jarang torsi.

Deformabilitas adalah perubahan bentuk dan ukuran kayu akibat pengaruh gaya luar.

Kekerasan adalah sifat kayu untuk menahan penetrasi suatu benda dengan bentuk tertentu.

Kekuatan benturan mencirikan kemampuan kayu untuk menyerap kerja saat terkena benturan tanpa putus. Ditentukan dengan uji lentur. Semakin banyak usaha yang diperlukan untuk menghancurkan sampel, semakin tinggi viskositasnya.

Ketahanan aus kayu adalah kemampuan lapisan permukaan untuk menahan keausan, yaitu kerusakan akibat gesekan.

Kayu digunakan untuk memproduksi berbagai bahan kayu. Bahan-bahan tersebut antara lain: bahan bulat, kayu gergajian, planer, kupas, kayu belah, kayu abon, bahan kayu komposit. Semua bahan ini banyak digunakan dalam industri furnitur, pembuatan kapal, pembuatan gerbong, teknik mesin, teknik elektro, konstruksi, dalam pembuatan rumah kayu standar, dalam produksi mobil, plastik, linoleum, bahan peledak industri, untuk pengemasan makanan dan industri. barang, untuk pembuatan papan fibril, dll., serta di industri lain sebagai bahan struktural, isolasi dan finishing.

4. Besi cor. Penandaan, sifat dan penerapan besi cor kelabu.

Besi tuang termasuk paduan besi dan karbon yang mengandung lebih dari 2,14% C (Gbr. 6).

Aplikasi praktis ditemukan pada besi cor dengan kandungan karbon hingga 4,0 - 4,5%. Pada lagi karbon, sifat mekaniknya menurun secara signifikan.

Besi tuang industri bukanlah paduan ganda, tetapi selain Fe dan C, mengandung pengotor yang sama seperti baja karbon Mn, Si, S, P, dll. Namun, pada besi tuang terdapat lebih banyak pengotor ini dan pengaruhnya berbeda. dibandingkan pada baja. Jika seluruh karbon yang terdapat pada besi tuang berada dalam keadaan terikat secara kimia, berupa besi karbida (F3C - sementit), maka besi tuang tersebut disebut putih. Besi tuang yang seluruh atau sebagian besar karbonnya berada dalam keadaan bebas dalam bentuk inklusi grafit dalam satu atau lain bentuk disebut grafit.

Beras. 6. Diagram struktur keadaan sistem besi-sementit

Tergantung pada bentuk inklusi grafit, besi cor grafit dapat berwarna abu-abu, besi cor berkekuatan tinggi, dapat ditempa, dan grafit vermicular.

Besi cor kelabu diproduksi dengan laju pendinginan pengecoran yang lebih rendah dibandingkan besi cor putih. Mereka mengandung 1 - 3% Si - yang memiliki efek grafitisasi yang kuat.

Besi cor kelabu dapat dengan mudah diproses dengan alat pemotong. Ini digunakan untuk memproduksi alas mesin, blok silinder, rangka pondasi, pelapis silinder, piston, dll.

Sifat mekanik besi cor kelabu

Grafit dalam besi cor kelabu diamati dalam bentuk inklusi gelap pada latar belakang terang pada bagian yang tidak tergores. Bentuk dan dispersi grafit, yang sangat bergantung pada sifat mekanik besi cor kelabu, dinilai dari bagian yang tidak tergores.

Besi cor kelabu dibagi menurut struktur mikro dasar logamnya, tergantung pada kelengkapan grafitisasinya. Derajat atau kelengkapan grafitisasi dinilai dari jumlah karbon yang dilepaskan secara bebas (tidak terikat) (Gbr. 7).

Kelengkapan grafitisasi bergantung pada banyak faktor, yang utama adalah laju pendinginan dan komposisi paduan. Dengan pendinginan yang cepat, pembentukan sementit daripada grafit secara kinetik lebih menguntungkan. Semakin lambat pendinginan, semakin besar derajat grafitisasinya. Silikon bertindak dalam arah yang sama dengan memperlambat pendinginan, yaitu mendorong grafitisasi, dan mangan, elemen pembentuk karbida, mempersulit grafitisasi.

Beras. 7. Klasifikasi besi cor menurut struktur dasar logam dan bentuknya

inklusi grafit

Jika grafitisasi dalam keadaan padat selesai, maka besi tuang mengandung dua komponen struktural - grafit dan ferit. Jika dekomposisi eutektoid austenit berlangsung sesuai dengan sistem metastabil

eutektoid (perlit), maka struktur besi tuang terdiri dari grafit dan perlit. Paduan ini disebut besi cor kelabu berbahan dasar perlit. Pilihan perantara juga dimungkinkan, ketika austenit sebagian terurai melalui reaksi eutektoid menjadi ferit dan grafit, dan sebagian lagi dengan pembentukan perlit. Dalam hal ini, besi cor mengandung tiga elemen struktural - grafit, ferit, dan perlit. Paduan ini disebut besi cor kelabu dengan dasar ferit-perlit.

Ferit dan perlit pada dasar logam besi tuang memiliki karakteristik mikrostruktur yang sama seperti pada baja. Besi cor kelabu mengandung peningkatan jumlah fosfor, yang meningkatkan fluiditas dan menghasilkan triple eutektik.

Pada dasar logam besi cor kelabu, eutektik fosfida ditemukan dalam bentuk area terang dan berbatas tegas.

Semua bahan konstruksi dapat dibagi menjadi homogen Dan komposit, logam dan non logam(Gambar 6.1).

Logam– unsur kimia yang membentuk zat sederhana dalam keadaan bebas dengan ikatan logam antar atom.

Paduan– padatan yang terbentuk dari peleburan dua komponen atau lebih. Paduan terbentuk sebagai hasil dari proses fisik murni (pelarutan, pencampuran) dan sebagai hasil interaksi kimia antar unsur. Keragaman komposisi jenis ikatan antar atom dan struktur kristal paduan menyebabkan perbedaan yang signifikan pada sifat fisikokimia, listrik, magnet, mekanik, optik, dan lainnya. Paduan berbahan dasar besi disebut hitam, berdasarkan logam lain berwarna.

Bahan non-logam– bahan anorganik dan organik, bahan komposit berbahan dasar non-logam, perekat, sealant, cat dan pernis, grafit, kaca, keramik, dll.

Polimer– zat yang makromolekulnya terdiri dari banyak unit dasar (monomer) dengan struktur yang sama.

Bahan komposit– sistem heterofase (terdiri dari fase-fase dengan sifat fisik dan kimia yang berbeda) yang diperoleh dari dua atau lebih komponen dengan tetap menjaga individualitas masing-masing komponen.

Di mana:

bahannya homogen pada skala makro dan heterogen pada skala mikro (sifat komponennya berbeda, ada antarmuka yang jelas di antara keduanya);

salah satu komponen yang mempunyai kesinambungan di seluruh volume adalah matriks; komponen terputus-putus, dibagi dalam volume komposisi, dianggap sebagai penguat atau penguat.

Berbagai bahan nonlogam, seperti plastik, karet, kaca, keramik, cat dan pernis, banyak digunakan dalam pembuatan instrumen. bahan perekat, dan seiring dengan perkembangan ilmu kimia dan teknologi baru, pangsa bahan non-logam dalam pembuatan instrumen terus meningkat.

Pilihan plastik ditentukan oleh tujuan bagian dan ciri khas produksinya (pengepresan, pengecoran, dan metode lainnya), dan fitur struktural, sifat mekanik dan fisik plastik secara signifikan mempengaruhi desain bagian dan metode pembuatannya. pembuatannya.

Penggunaan bahan bubuk ditentukan oleh kebutuhan untuk memproduksi produk dengan sifat dan struktur khusus yang tidak dapat dicapai dengan metode produksi lain, atau produk dengan komposisi, struktur dan sifat yang sama, tetapi dengan indikator produksi ekonomi yang jauh lebih menguntungkan.

Sifat-sifat bahan struktur dibagi menjadi:

mekanis;

teknologi;

operasional.

Sifat mekanik meliputi:

kekuatan;

elastisitas;

plastik;

kekerasan;

kekuatan dampak.

Sifat-sifat ini menentukan kekuatan dan daya tahan suatu struktur.

Kekuatan adalah kemampuan suatu material untuk menahan deformasi dan kehancuran.

Deformasi disebut perubahan ukuran dan bentuk suatu benda di bawah pengaruh gaya luar. Deformasi dibagi menjadi elastis dan plastis. Deformasi elastis hilang setelah gaya berakhir, sedangkan deformasi plastis tetap ada.

Plastik– kemampuan suatu bahan untuk berubah bentuk. Plastisitas memastikan kekuatan struktural bagian-bagian yang terkena beban dan menetralkan pengaruh konsentrator tegangan - lubang, potongan, dll. Selama deformasi plastis suatu logam, bersamaan dengan perubahan bentuk, sejumlah sifat berubah; khususnya, selama deformasi dingin, kekuatan meningkat, tetapi keuletan menurun.

Sebagian besar karakteristik mekanik bahan ditentukan oleh uji tarik sampel (GOST 1497-84).

Saat meregangkan sampel dengan luas penampang S 0 dan panjang kerja (dihitung) l o, diagram tarik dibuat dalam koordinat: beban P – perpanjangan l sampel (Gambar 6.2).

Gambar 6.2 – Diagram tegangan

Diagram tegangan mencirikan perilaku logam selama deformasi dari saat pembebanan dimulai hingga penghancuran sampel. Ada tiga bagian dalam diagram:

deformasi elastis – hingga kontrol beban P;

deformasi plastis seragam dari kontrol P ke P max;

dan deformasi plastis terkonsentrasi dari P max ke P k.

Jika sampel dibebani dalam batas kendali P, lalu dibongkar seluruhnya dan panjangnya diukur, maka tidak ada konsekuensi pembebanan yang akan terdeteksi.

Hukum Hooke untuk bagian linier diagram: σ = E ε, dimana E disebut modulus elastis atau modulus Young. E mempunyai dimensi kg/cm 2 dan merupakan salah satu konstanta fisika bahan. Modulus elastisitas tarik secara numerik sama dengan garis singgung sudut kemiringan diagram tegangan terhadap sumbu absis.

Antara deformasi transversal relatif dan deformasi longitudinal relatif pada tegangan dan kompresi sederhana, dalam batas penerapan hukum Hooke, terdapat hubungan yang konstan, yang nilai absolutnya disebut rasio Poissonμ = ε 1 /ε adalah besaran tak berdimensi dan untuk semua bahan isotropik terletak pada kisaran 0 – 0,5 (0 untuk gabus, 0,5 untuk karet, 0,3 untuk baja).

Ketika sampel dimuat lebih dari kontrol P muncul deformasi sisa (plastik). Deformasi plastis terjadi pada peningkatan beban, karena logam diperkuat selama deformasi. Penguatan logam ketika mengalami deformasi disebut pengerasan.

Dengan pembebanan lebih lanjut, deformasi plastis, dan dengan itu pengerasan, semakin meningkat, didistribusikan secara merata ke seluruh volume sampel. Setelah mencapai nilai maksimum beban P max, penipisan lokal sampel muncul di tempat terlemah - leher, di mana sebagian besar terjadi deformasi plastis lebih lanjut. Sehubungan dengan perkembangan leher, meskipun logam terus diperkuat, beban berkurang dari P max ke P k, dan pada beban P k sampel hancur. Dalam hal ini, deformasi elastis sampel hilang, tetapi deformasi plastis ∆l sisanya tetap ada.

Ketika berubah bentuk padat kekuatan internal muncul dalam dirinya. Besarnya gaya per satuan luas penampang sampel disebut tegangan. Dimensi tegangan MPa.

Dengan menggunakan karakteristik yang ditunjukkan dan mengetahui luas penampang sampel S0, tentukan karakteristik utama kekuatan material:

σ pc = P pc /S 0 - batas proporsionalitas; σ naik = P naik /S 0 - batas elastis; σ t = P t /S 0 - kekuatan luluh; σ in = P max /S 0 - kekuatan tarik atau kekuatan tarik; σ k = P k /S 0 - tegangan pada saat pecah.

Karena diagram tarik logam tidak hanya mencirikan sifat-sifat logam, tetapi juga dimensi sampel, biasanya direkonstruksi dalam koordinat relatif σ – ε, diagram seperti itu disebut diagram tegangan.

Plastik ditandai dengan pemanjangan relatif dan penyempitan relatif:

dimana l 0 ,S 0 - panjang awal dan luas penampang sampel; l k ,S k - panjang akhir dan luas di lokasi pecah.

Nilai tegangan yang diizinkan dalam perhitungan dipilih 1,5 - 2,5 kali lebih kecil.

Kekerasan adalah ketahanan suatu material terhadap penetrasi benda standar (indentor) ke permukaannya. Kekerasan dinilai berdasarkan kedalaman penetrasi indentor atau ukuran tanda lekukan. Dalam semua kasus, terjadi deformasi plastis pada material. Semakin besar ketahanan material terhadap deformasi plastis, semakin tinggi kekerasannya.

Metode yang paling banyak digunakan untuk menentukan kekerasan adalah Brinell, Rockwell, Vickers dan microhardness. Rangkaian pengujian ditunjukkan pada Gambar 3.4.

Gambar 6.3 – Skema penentuan kekerasan suatu material menurut Brinell (a), Rockwell (b), Vickers (c).

Kekerasan Brinell ditentukan menggunakan alat uji kekerasan Brinell. Bola baja yang dikeraskan dengan diameter D = 2,5 digunakan sebagai indentor; 5; 10 mm, tergantung ketebalan produk.

Hasil cetakan diukur dalam dua arah menggunakan kaca pembesar Brinell. Kekerasan didefinisikan sebagai rasio beban yang diberikan P terhadap permukaan bola cetakan.

metode Rockwell didasarkan pada penekanan ujung berbentuk bola atau kerucut berlian ke permukaan di bawah beban tertentu. Untuk material lunak (hingga HB 230), digunakan bola baja dengan diameter 1/16” (1,6 mm); untuk material yang lebih keras, digunakan kerucut berlian.

Pemuatan dilakukan dalam dua tahap. Pertama, preload P 0 (100 N) diterapkan untuk memastikan kontak yang erat antara ujung dan sampel. Kemudian beban utama P 1 diterapkan, dan beban kerja total P diterapkan selama beberapa waktu.Setelah beban utama dihilangkan, nilai kekerasan ditentukan oleh kedalaman lekukan sisa ujung h di bawah beban P.

Kekerasan Vickers ditentukan oleh ukuran cetakan indentor: piramida berlian tetrahedral dengan sudut puncak 136 o.

Kekerasan dihitung sebagai rasio beban P yang diterapkan dengan luas permukaan cetakan.

Beban P adalah 50…1000 N. Diagonal cetakan d diukur menggunakan mikroskop yang terpasang pada alat.

Keuntungan dari metode ini adalah memungkinkan untuk mengukur kekerasan bahan apa pun, produk tipis, lapisan permukaan. Metode ini memberikan akurasi tinggi dengan sensitivitas tinggi.

Metode kekerasan mikro– digunakan untuk menentukan kekerasan komponen struktural individu dan fase paduan, lapisan permukaan yang sangat tipis (seperseratus milimeter). Caranya mirip dengan metode Vickers. Indentor berbentuk piramida dengan dimensi lebih kecil, beban lekukan P adalah 5...500 N.

Kekuatan dampak mencirikan keandalan material, kemampuannya menahan patah getas. Tes untuk kekuatan dampak dihasilkan pada penggerak tiang pendulum. Sampel yang diuji mempunyai potongan dengan bentuk dan ukuran tertentu. Benda uji dipasang pada penyangga tiang pancang dengan potongan berlawanan arah dengan tumbukan pisau pendulum, yaitu dinaikkan hingga ketinggian tertentu. Hal ini ditentukan menurut GOST sebagai pekerjaan spesifik penghancuran sampel prismatik dengan konsentrator (takik) di tengahnya dengan satu pukulan penggerak tiang pendulum: KS = K/S, di mana K adalah pekerjaan penghancuran; S adalah luas penampang sampel pada lokasi konsentrator. Diukur dalam MJ/m 2. Konsentrator tipe KCU, KCV, KCT, U, V, T yang ditunjuk ( U, berbentuk V; T - retak lelah).

Sifat teknologi bahan struktural.

Sifat teknologi mencirikan kemampuan suatu bahan untuk mengalami berbagai metode pemrosesan dingin dan panas.

Sifat teknologi logam dan paduan meliputi:

properti pengecoran;

deformabilitas;

kemampuan las;

kemampuan mesin dengan alat pemotong.

Sifat-sifat ini memungkinkan untuk melakukan pemrosesan perubahan bentuk dan memperoleh blanko serta bagian-bagian mesin.

Properti pengecoran mencirikan kemampuan suatu bahan untuk menghasilkan coran berkualitas tinggi darinya.

Sifat pengecoran ditentukan oleh kemampuan logam cair atau paduannya untuk mengisi cetakan pengecoran (fluiditas), derajat heterogenitas kimia pada penampang pengecoran yang dihasilkan (likuasi), serta besarnya penyusutan – reduksi. dalam dimensi linier selama kristalisasi dan pendinginan lebih lanjut.

Kemampuan material untuk diproses dengan tekanan – ini adalah kemampuan suatu material untuk mengubah ukuran dan bentuk di bawah pengaruh beban eksternal tanpa keruntuhan (pemrosesan tanpa menghilangkan serpihan). Itu dikendalikan sebagai hasil uji teknologi yang dilakukan dalam kondisi yang sedekat mungkin dengan kondisi produksi. Bahan lembaran diuji untuk pembengkokan dan peregangan lesung pipit berbentuk bola. Kawat diuji untuk menekuk, memutar, dan menggulung. Pipa diuji pemuaiannya, perataannya hingga ketinggian tertentu dan pembengkokannya. Kriteria kesesuaian suatu bahan adalah tidak adanya cacat setelah pengujian.

Kemampuan las– ini adalah kemampuan suatu material untuk membentuk sambungan permanen dengan kualitas yang dibutuhkan selama pengelasan. Properti dinilai dari kualitas las.

kemampuan mesin– mencirikan kemampuan suatu bahan untuk diproses dengan alat pemotong. Hal ini dinilai berdasarkan umur pahat dan kualitas permukaan mesin.

Sifat teknologi sering kali menentukan pilihan material untuk suatu struktur. Bahan yang dikembangkan dapat dimasukkan ke dalam produksi hanya jika sifat teknologinya memenuhi persyaratan yang diperlukan.

Produksi otomatis modern memberikan tuntutan khusus pada sifat teknologi material: pengelasan dengan kecepatan tinggi, pendinginan coran yang dipercepat, pemotongan dengan kecepatan tinggi, dll., sambil memastikan kondisi yang diperlukan – Kualitas tinggi produk yang dihasilkan.

Properti kinerja mencirikan kemampuan suatu bahan untuk bekerja dalam kondisi tertentu:

ketahanan aus - kemampuan suatu material untuk menahan kerusakan permukaan di bawah pengaruh gesekan eksternal;

ketahanan terhadap korosi – kemampuan suatu material untuk menahan aksi lingkungan asam dan basa yang agresif;

tahan panas - kemampuan suatu bahan untuk menahan oksidasi dalam lingkungan gas pada suhu tinggi;

tahan panas adalah kemampuan suatu material untuk mempertahankan kekuatan dan kekerasan pada suhu tinggi;

tahan dingin - kemampuan suatu bahan untuk mempertahankan sifat plastik pada suhu di bawah nol;

antifriction - kemampuan suatu material untuk dikenakan pada material lain.

Properti ini ditentukan melalui pengujian khusus tergantung pada kondisi pengoperasian produk. Saat memilih bahan untuk membuat struktur, perlu mempertimbangkan sifat struktural, teknologi, dan operasional.

Bahan bangunan

bahan dari mana bagian struktur (mesin dan struktur) yang menahan beban gaya dibuat. Parameter penentu CM adalah sifat mekaniknya, yang membedakannya dari bahan teknis lainnya (optik, isolasi, pelumas, cat, dekoratif, abrasif, dll.). Kriteria utama kualitas bahan logam meliputi parameter ketahanan terhadap beban eksternal: kekuatan, ketangguhan, keandalan, masa pakai, dll. Dalam jangka waktu yang lama dalam perkembangannya, masyarakat manusia menggunakan peralatan yang terbatas untuk kebutuhannya (perkakas dan alat berburu, perkakas, perhiasan, dll) bahan: kayu, batu, serat asal tumbuhan dan hewan, tanah liat panggang, kaca, perunggu, besi. Revolusi industri abad ke-18. dan perkembangan teknologi lebih lanjut, khususnya penciptaan mesin uap dan kemunculannya pada akhir abad ke-19. mesin pembakaran internal, mesin listrik dan mobil, mereka memperumit dan membedakan persyaratan bahan untuk bagian-bagiannya, yang mulai bekerja di bawah beban bolak-balik yang kompleks, suhu tinggi, dll. Dasar teknik mesin adalah paduan logam berbasis besi (Besi tuang dan baja (Lihat Baja) ) , tembaga (perunggu (Lihat Perunggu) dan kuningan (Lihat Kuningan)) , timah dan timah.

Selama desain pesawat terbang, ketika persyaratan utama bahan mekanis menjadi kekuatan spesifik yang tinggi, plastik kayu (kayu lapis), baja paduan rendah, serta paduan aluminium dan magnesium menjadi tersebar luas. Pengembangan lebih lanjut teknologi penerbangan memerlukan pembuatan paduan tahan panas baru (Lihat Paduan tahan panas) berdasarkan nikel dan kobalt, baja, titanium, aluminium, paduan magnesium yang cocok untuk pekerjaan yang panjang pada suhu tinggi. Peningkatan teknologi pada setiap tahap perkembangan memberlakukan persyaratan material baru yang semakin kompleks (ketahanan suhu, ketahanan aus, konduktivitas listrik, dll.). Misalnya, pembuatan kapal memerlukan baja dan paduan dengan kemampuan las yang baik dan ketahanan korosi yang tinggi, dan teknik kimia memerlukan ketahanan yang tinggi dan jangka panjang di lingkungan yang agresif. Perkembangan energi nuklir dikaitkan dengan penggunaan bahan karbon yang tidak hanya memiliki kekuatan yang cukup dan ketahanan korosi yang tinggi pada berbagai pendingin, tetapi juga memenuhi persyaratan baru - kecil persilangan penangkapan neutron.

K.m.dibagi: menurut sifat bahannya - menjadi bahan logam, non-logam dan komposit , menggabungkan sifat positif dari bahan tersebut dan bahan lainnya; menurut desain teknologi - dideformasi (digulung, ditempa, dicap, profil diekstrusi, dll.), dicor, disinter, dicetak, direkatkan, dilas (dengan peleburan, ledakan, penyambungan difusi, dll.); menurut kondisi pengoperasian - untuk pengoperasian pada suhu rendah, tahan panas, korosi, kerak, keausan, bahan bakar, tahan minyak, dll.; menurut kriteria kekuatan - untuk bahan dengan kekuatan rendah dan sedang dengan margin keuletan yang besar, kekuatan tinggi dengan margin keuletan sedang.

Kelas individu K.m., pada gilirannya, dibagi menjadi beberapa kelompok. Misalnya, paduan logam dibedakan: menurut sistem paduan - aluminium, magnesium, titanium, tembaga, nikel, molibdenum, niobium, berilium, tungsten, berbahan dasar besi, dll.; berdasarkan jenis pengerasan - pengerasan, peningkatan, penuaan, disemen, sianidasi, nitridasi, dll.; berdasarkan komposisi struktural - baja austenitik dan feritik, kuningan, dll.

Bahan bukan logam dibagi lagi menurut komposisi isomernya, desain teknologinya (ditekan, ditenun, digulung, dicetak, dll.), menurut jenis pengisi (elemen penguat), dan menurut sifat penempatan dan orientasinya. Beberapa bahan, seperti baja dan paduan aluminium, digunakan sebagai bahan bangunan dan, sebaliknya, dalam beberapa kasus, bahan bangunan, seperti beton bertulang. , digunakan dalam struktur teknik mesin.

Parameter teknis dan ekonomi bahan logam meliputi: parameter teknologi - kemampuan kerja logam berdasarkan tekanan, pemotongan, sifat pengecoran (fluiditas, kecenderungan pembentukan retakan panas selama pengecoran), kemampuan las, kemampuan solder, kecepatan pengawetan dan fluiditas bahan polimer pada suhu normal dan tinggi. , dll. .; indikator efisiensi ekonomi (biaya, intensitas tenaga kerja, kelangkaan, tingkat pemanfaatan logam, dll).

Mayoritas mutu baja yang diproduksi secara industri termasuk dalam baja logam. Pengecualiannya adalah baja yang tidak digunakan dalam elemen struktur penahan beban: baja perkakas (Lihat Baja perkakas) , untuk elemen pemanas, untuk kawat pengisi (untuk pengelasan) dan beberapa lainnya dengan sifat fisik dan teknologi khusus. Baja merupakan sebagian besar bahan baja yang digunakan oleh teknologi. Mereka memiliki rentang kekuatan yang luas - dari 200 hingga 3000 Mn/m 2(20-300 kgf/mm 2), keuletan baja mencapai 80%, viskositas - 3 MJ/m2. Baja struktural (termasuk baja tahan karat) dilebur dalam konverter, perapian terbuka dan oven listrik. Untuk pemurnian tambahan, pembersihan argon dan pengolahan dengan terak sintetis dalam sendok digunakan. Menjadi penunjukan yang bertanggung jawab, yang memerlukan keandalan tinggi, diproduksi dengan busur vakum, induksi vakum dan peleburan kembali elektroslag, evakuasi, dan dalam kasus khusus - meningkatkan kristalisasi (di pabrik pengecoran kontinyu atau semi kontinyu) dengan menarik dari lelehan.

Besi cor banyak digunakan dalam teknik mesin untuk pembuatan rangka, poros engkol, roda gigi, silinder mesin pembakaran internal, suku cadang yang beroperasi pada suhu hingga 1200 °C di lingkungan pengoksidasi, dll. Kekuatan besi cor, tergantung pada paduannya, berkisar dari 110 Mn/m 2(chugal) sampai tahun 1350 Mn/m 2(besi cor magnesium paduan).

Paduan nikel dan paduan Cobalt mempertahankan kekuatan hingga 1000-1100 °C. Mereka dilebur dalam induksi vakum dan tungku busur vakum, serta dalam tungku plasma dan berkas elektron (Lihat Tungku berkas elektron). Mereka digunakan dalam mesin pesawat terbang dan roket, turbin uap, perangkat yang beroperasi di lingkungan agresif, dll. Kekuatan paduan aluminium (Lihat Paduan aluminium) adalah: dapat dideformasi hingga 750 Mn/m 2, pengecoran hingga 550 Mn/m 2, Dalam hal kekakuan spesifik, mereka jauh lebih unggul daripada baja. Mereka digunakan untuk pembuatan lambung pesawat terbang, helikopter, rudal, kapal untuk berbagai keperluan, dll. Paduan magnesium memiliki volume spesifik yang tinggi (4 kali lebih tinggi dari baja) dan memiliki kekuatan hingga 400 Mn/m 2 dan lebih tinggi; digunakan terutama dalam bentuk pengecoran pada struktur pesawat terbang, industri otomotif, industri tekstil dan percetakan, dll. Paduan titanium mulai berhasil bersaing di sejumlah cabang teknologi dengan baja dan paduan aluminium, mengungguli mereka dalam hal kekuatan spesifik, ketahanan terhadap korosi dan kekakuan. Paduan memiliki kekuatan hingga 1600 Mn/m 2 dan banyak lagi. Mereka digunakan untuk pembuatan kompresor mesin pesawat terbang, peralatan untuk industri kimia dan penyulingan minyak, instrumen medis dan sebagainya.

Bahan bukan logam meliputi plastik, bahan polimer termoplastik (lihat Polimer), keramik (Lihat Keramik), tahan api, kaca (Lihat Kaca), karet (Lihat Karet), dan kayu (Lihat Kayu). Plastik berbahan dasar resin termoset, epoksi, fenolik, resin termoplastik organosilikon dan resin fluoroplastik (Lihat Fluoroplastik) , diperkuat (diperkuat) dengan kaca, kuarsa, asbes dan serat lainnya, kain dan pita, digunakan dalam struktur pesawat terbang, roket, energi, teknik transportasi, dll. Bahan polimer termoplastik - Polistirena, polimetil metakrilat, poliamida, fluoroplastik, dan termoset digunakan di bagian peralatan listrik dan radio, unit gesekan yang beroperasi di berbagai lingkungan, termasuk yang aktif secara kimia: bahan bakar, minyak, dll.

Kacamata (silikat, kuarsa, organik), Tripleks berdasarkan kaca tersebut digunakan untuk kaca kapal, pesawat terbang, roket; Bagian yang beroperasi pada suhu tinggi terbuat dari bahan keramik. Karet berbahan dasar berbagai karet, diperkuat dengan kain tali, digunakan untuk produksi ban atau roda monolitik pesawat terbang dan mobil, serta berbagai segel bergerak dan tetap.

Perkembangan teknologi menempatkan tuntutan baru yang lebih tinggi terhadap material yang sudah ada dan mendorong terciptanya material baru. Untuk mengurangi berat struktur pesawat, misalnya, digunakan struktur multilayer yang menggabungkan ringan, kekakuan, dan kekuatan. Penguatan eksternal volume tertutup logam (bola, silinder, silinder) dengan fiberglass (Lihat Fiberglass) dapat mengurangi beratnya secara signifikan dibandingkan dengan struktur logam. Banyak bidang teknologi memerlukan material komposit yang menggabungkan kekuatan struktural dengan sifat listrik, pelindung panas, optik, dan lainnya yang tinggi.

Karena hampir semua elemen tabel periodik telah diterapkan dalam komposisi paduan tembaga, dan efektivitas metode penguatan yang telah menjadi klasik untuk paduan logam dengan menggabungkan paduan yang dipilih secara khusus, peleburan berkualitas tinggi, dan perlakuan panas yang tepat adalah berkurang, prospek peningkatan sifat bahan tembaga dikaitkan dengan sintesis bahan dari unsur-unsur yang memiliki sifat pembatas, misalnya sangat kuat, sangat tahan api, stabil secara termal, dll. Bahan-bahan tersebut merupakan kelas baru dari bahan komposit komposit yang menggunakan elemen berkekuatan tinggi (serat, benang, kawat, kristal seperti benang, butiran, senyawa keras tinggi dan tahan api terdispersi yang membentuk penguat atau pengisi), diikat oleh a matriks plastik dan bahan tahan lama(paduan logam atau bahan non-logam, terutama polimer). Material komposit dapat 50-100% lebih unggul dari baja atau paduan aluminium dalam hal kekuatan spesifik dan modulus elastisitas spesifik serta memberikan pengurangan berat struktur sebesar 20-50%.

Seiring dengan terciptanya material komposit komposit yang memiliki struktur berorientasi (ortotropik), cara yang menjanjikan untuk meningkatkan kualitas material komposit adalah dengan mengatur struktur material komposit tradisional.Dengan demikian, dengan kristalisasi terarah pada baja dan paduan, bagian pengecoran, misalnya, bilah turbin gas, terdiri dari kristal yang diorientasikan relatif terhadap tegangan utama sedemikian rupa sehingga batas butir (titik lemah pada paduan suhu tinggi) tidak dibebani. Kristalisasi terarah memungkinkan peningkatan plastisitas dan daya tahan beberapa kali lipat. Metode yang lebih progresif untuk membuat kristal ortotropik adalah memperoleh bagian kristal tunggal dengan orientasi kristalografi tertentu relatif terhadap tekanan yang diberikan. Metode orientasi digunakan dengan sangat efektif pada bahan bukan logam, sehingga orientasi makromolekul linier bahan polimer (orientasi gelas polimetil metakrilat) secara signifikan meningkatkan kekuatan, viskositas, dan daya tahannya.

Prestasi dalam ilmu material digunakan untuk mensintesis material komposit dan membuat paduan dan material dengan struktur berorientasi.

menyala.: Kiselev B.A., Fiberglass, M., 1961; Bahan Struktural, jilid 1-3, M., 1963-65; Bahan tahan api di bidang teknik mesin. Buku Pegangan, ed. A. T. Tumanov dan K. I. Portnoy, M., 1967; Sifat struktural plastik, trans. dari bahasa Inggris, M., 1967; Karet adalah bahan struktural teknik mesin modern. Duduk. Seni., M., 1967; Bahan dalam teknik mesin. Seleksi dan penerapan. Buku Pegangan, ed. I.V.Kudryavtseva, jilid 1-5, M., 1967-69; Khimushin F.F., Baja dan paduan tahan panas, edisi ke-2, M., 1969; Material komposit modern, trans. dari bahasa Inggris, M., 1970; Paduan aluminium. Duduk. Seni., jilid 1-6, M., 1963-69.

A. T. Tumanov, N. S. Sklyarov.