Металдар туралы жалпы малмат

Кіріспе

 

Трмыста олданылатын кез–келген денелер, механизмдер мен машиналарды за мерзімді жмыс атаруы - оларды андай материалдардан жасаландыында.

Машиналар мен механизмдерді жмыса абілеттілігі, сынбай, сенімді ызмет атаруы - оларды блшектері жасалатын рылымды материалдарды асиеттерін пайдалану жадайында (жктеме кштер, жмыс орталыы т.б.) ажетті жмыс сипаттамаларына сйкес келуімен байланысты. Машина немесе механизмдерді блшектерін жасаанда оларды крделі пішіндерін, млшерлеріні длдігін, жмыс беттеріні кедір-бдырлыын жне экономикалы тиімділігін амтамасыздандыратын деу технологиясын дрыс белгілеу ажет. Міндетті ызметіне орай машина блшектеріні рылымды беріктігін амтамасыздандырумен атар, оларды арнайы асиеттерін ескеру ажет. Кейбір кезде, атаратын ызметіне байланысты машиналар мен механизмдерді блшектері жасалан материалдар жоары немесе тмен (теріс) температураларды, ылалды немесе ртрлі агрессивті газдар мен сйытарды серінен здеріні жмыс сипаттамаларын жоалтпауы жне оан бейімделуі керек. азіргі уаытта ттыну клеміне арай ндірісті машина жасау саласында пайдаланылатын рылымды материалдарды трлері те кп, рі саны здіксіз суде. Машина жасауда блшектерді дайындамаларын ндіру елеулі орын алады. Мысалы, машина жасау шін ажетті жалпы ебекті 40-45% дайындамалар ндіру шін жмсалады. Демек, дайындамаларды ндіру машина жасау технологиясыны маызды блімі. Бйымдара машинаны немесе аспапты пайдалану барысында статикалы, циклдік, жне ттенше жктемелер серін тигізеді, рі бйымдар ртрлі жоары немесе тмен температураларда жмыс істейді. Осы жадайларды ескере отырып, материалдара пайдаланымды, технологиялы жне экономикалы талаптар ойылады.

Пайдаланымды талаптарды маызы зор. Наты машина немесе аспап дрыс жмыс атаруы шін растырушы материалды беріктігі аса жоары болуы ажет. Материалды растырушы беріктігі деп оны пайдалананда сенімді жне за жмыс істеуге ммкіндік беретін механикалы асиеттеріні жиынтыын айтады. Материал жмыс жасайтын орта, оны механикалы асиеттеріне ыпалын тигізіп, бйымны жмыс німділігін тмендетуі ммкін. оршаан орта газды, иондалан немесе радиациялы кйде болады. Ортаны серінен материал коррозиялы сынуа, тотытануа жне кйуге дейін барады. Сонымен оршаан ортаны жаымсыз серіне ттеп беру шін материалды белгілі механикалы асиеттерімен оса келесідей арнайы физика-химиялы асиеттері де болуы ажет: электр химиялы коррозияа, ыстыа, ылала тзімділігі, вакуум жадайында жмыс істеу абілеті жне басалары. азіргі уаытта олданылатын материалдарды жмысты температурасыны диапазоны – 2690С÷10000С, кейбір жадайда 25000С. Сондытан жоары температурада ыстыа, тмен температурада суыа тзімді болуы керек.

Технологиялы талаптар - материалдан бйымдар мен рылылар жасауды жеілдетуді кздейді. Материалды технологиялыы деп оны кесуге, сыуа, пісіруге, юа бейімділігін айтады. Технологиялы талапты сапалы жне жмыс німділігі жоары бйым жасау шін маызы зор.

Экономикалы талаптар - материалды ныны тмендігін жне жеткіліктілігін кздейді. Осы талапа сйкес орытпалар мен болаттарда легірлеуші элементтерді млшері тым аз болып, легірлеуші элементтері бар материалды олдану оны пайдаланымды асиеттеріні жоарылыымен тсіндірілуі ажет.

Материалдарды ішкі тзілуіне байланысты оларды аситтері ртрлі болады. Материалдарды асиеттеріні ртрлілігі олдарды техникада кеінен олдануды негізгі факторы болып табылады. Осыан байланысты материалтану ылымы материалдарды алыптасуын, рылымы мен асиеттерін арастырады. Материалдарды негізгі асиеттерін физикалы, механикалы, технологиялы жне эксплуатациялы деп бірнеше трге бледі.

Материалдарды физикалы жне механикалы асиеттеріне материалды технологиялы жне эксплуатациялы асиеттері туелді.

Механикалы асиеттерді ішінде беріктікті алатын орыны зор, йткені эксплуатациялы жктемені серінен бйымны блінбеуі беріктікке байланысты. Беріктік пен блінуді оу материалтануды негізгі блігі болып табылады. Энергетикада олданылытын негізгі материалдара металдар мен оларды ортпалары жатады. Сондытан материалтануды басты блігі металтану.

Адам б.э. брын VII-VI мы жылдарында бірінші рет алтын, кміс, мыс сияты табии таза металдарды олданан. Б.э. брын V-IV мы жылдары олар рудадан мыс, орасын, алайы орытып ала бастаан. Мыс асыры басталан со тастан жасалан ару ралдарын бірте-бірте шеттетті. Шамамен б.э. брын ІІІ мы жылдары сол уаыттаы баса белгілі металдара араанда аттыра жне берік ола-мыс пен алайы орытпасы олдана бастады. Бл ола (заманы) асыры. Б.э. дейінгі ІІ мы жылдары темір олданыла бастады, былай айтанда темір асыры басталды. Бізді эрамызды басталанына дейін алтын, кміс, мыс, ола, темір, орасын, сынап белгілі болды. ХVІІІ асыра дейін мырыш, висмут, сурьма, платина, мышьяк табылып ашылды. Кейбір металдар брын ашылса да олданылуы кейінге алды. Мысалы, титан 1791 жылы элемент ретінде ашыланымен 1948 жылы ана бірнеше тонна таза титан алынды.

Жылу энергиясын жне электр энергиясын ндіру шін жоары температурада жне лкен ысымда, агресивти ортада жмыс істейтін ондырылар олданылады.

Жылулы энергия заманауй ндірістерде жне трмыста буды, ысты суды жне отынны жану німдеріні энергиясы трінде жиі олданылады. Елімізде жылу жне электр энергиясыны басым блігі жылуэлектр станцияларында (ЖЭС), жылуэлектр орталытарында (ЖЭО), су электр станцияларында (СЭС) ндіріледі. Жне бндай ксіпорындар органикалы отынмен жмыс істейді. Органикалы отына атты, сйы жне газ трізді отын жатады.

атты отынмен жмыс істейтін ЖЭС-да электр энергиясын ндіру слбасын арастырайы (1 суретті ара).

Заманауй жылу электр станциялары блокты рылымдардан трады. Блокты рылымды ЖЭС жекелеген энергиялы блоктардан трады. рбір энергиялы блоктарды рамына негізгі ондырылар – турбина жне азанды, рі олармен байланысан ажетті осалы ондырылар кіреді. азанды пен турбина моноблокты райды.

Бу азаны отынны жылулы энергиясы арылы буды потенциалды энергиясын ндіруге арналан ондыры. Ал турбина буды потенциалды энергиясы арылы электр энергиясын алуа арналан ондыры.

Кмір оймадан отын дайындау жйесіне жіберіледі. Бнда кмір саталады, кептіріледі, нтаталады да кмір тозаына айналады. Кмір тозаы оттытара жіберіледі. Бнда ол атмосферадан сорылып, ыздырылып келген ауамен араласады. Егер сйы отын (мазут) олданылса, онда ол 100-140оС дейін ыздырылады да форсункамен шашыратылады. Ауаны бастапы 70-80оС дейін ыздыруа арналан ондырылар калориферлер деп аталады. Жану процесіне ажетті ауа отын тріне жану режиміне байланысты 250-400оС дейін отын жананда блінген ттін газдарыны жылуыны серімен ауаыздырыштарда ыздырылады.

Бу азаныны ошаында отын жылу бле отырып жанады. Осы жылу жмысты денеге, яни суа беріледі. Су аныан (температурасы айнаан суды температурасына те бу) буа, содан кейін аса ызан буа (берілген ысымда температурасы айнаан суды температурасынан аса жоары бу) айналады. Аса ызан буды энергиясы да жоары болады.

Бу азаны жылуалмастырыштар жйесінен (беттік ыздырыштар) трады. Бнда здіксіз келіп тран су органикалы отынды жаанда блінген жылуды серінен буа айналады. азана берілген су оректік су деп аталады. оректік суды аныу (айнау) температурасына дейін ыздыру экономайзерде, ал бу тзілу процесі - беттік ыздырыштарда, буды аса ыздыру – бу ыздырыштарда теді.

Отын тріне жне жану режиміне байланысты ошатаы температура 1500-1800оС дейін жетуі ммкін. Ошатаы жану німдеріні орташа температурасы 1300-1400оС райды. Ошатан шыан газдарды температурасы шамамен 900-1200оС. ыздырыштар арылы ткен газдар 800-900оС дейін (ширмалы бу ыздырыштан кейін) салындайды, содан кейін ттін газдарыны температурасы конвективті жне аралы бу ыздырыштардан ткеннен кейін 500-600оС дейін азаяды.


1 – сурет. атты отынмен жмыс істейтін ЖЭС-да электр энергиясын ндіруді арапайым слбасы


Заманауй жоары ысымды энергетикалы азандар ысымы 10 жне 14 МПа, температурасы 540оС жне 560оС болатын бу ндіреді, ал аса жоары ысымды азандарда буды ысымы 25,5 МПа, температурасы 545-565оС болады.

Бу энергиясы бу турбинасыны роторын айналдырады. Турбина алатар жиынтыынан ралан жылулы озалтыш. Жмысты дене аыны баыттаушы саптамалар арылы алатара беріледі де, оларды айналыса келтіре отырып, сол алатан шыып, келесі алаа беріледі. Аын брылысыны нтижесінде айналу моментін тудыратын айналу кші пайда болады, салдарынан білікке жаланан жмысты дгелектер айналады. Саптамада жмысты дене (бу) лаяды, потенциалды энергия кинетикалы энергияа трленеді, яни аын жылдамдыы артады. Турбина білігіні айналуыны нтижесінде туан механикалы энергия электрлік озалтыша беріледі.

Отынны жану німдері азанны газ жолынан тіп (экономайзерге кірердегі газдарды температурасы 500-600оС, ауаыздырыша кірердегі газдарды температурасы 300-450оС райды), зіні жылуын азанны ыздыру беттеріне беріп (ауаыздырыштан кейінгі газдарды температурасы 110-160оС), ттін газдарын тазарту жйесіне барады (клстаыштар), содан кейін ттін сорыш арылы мржаа жнелтіледі де, одан рі атмосфераа таралып кетеді. Тазарту жйесінде ттін газдарынан сзіліп алынан кл ошата пайда болан ожбен бірге кл жинаыша жнелтіледі. Клді бір блігі ошаты тменгі жаына ож трінде тседі. Алынан кл немесе ож кл кеткіш немесе ож кеткіш жйесіні ондырылары арылы аракідік немесе здіксіз шыарылып отырады.

Турбинада жмыс істеген бу шытаыша беріледі, онда бу шытанады. Яни, салындатыштардан айналымды соры арылы сорылан суа зіні жылуын береді. Салындатыштара градирнялар, зендер, клдер, су оры жатады.

Шытаыш - турбинада жмыс істеген буды сйы кйге, яни шыа айналдыруа арналан жылуалмастырыш ондыры. Шытаыштаы ысыма сйкес келетін ысымда буды аныу температурасынан тмен температуралы дене бетіне жанасан бу шыа айналады. Пайда болан бу шытаышты тменгі жаына арай аады. Буды меншікті клеміні бірден азаюынан ысымы тмендейді (вакуум). Салындатылатын суды температурасы тмен жне оны шыыны жоары болан сайын шытаыштаы вакуум жоары болады. детте шытаыштаы ысым 0,004 МПа.

Тзілген шы шыты соры арылы тмен ысымды ыздырыштара беріледі. Бнда бу турбинаны тменгі алымдарынан алынан бу арылы ыздырылады. Содан кейін деаэратора барады, бнда су рамындаы газдардан, яни оттегі, кміртегі жне т.б. ажыратылады. Сонымен атар деаэраторда су турбинаны алымдарынан алынан бу арылы осымша ыздырылады. Деаэрирленген су оректік соры арылы жоары ысымды ыздырыштара беріледі. Бнда су турбинаны алымынан алынан жоары ысымды бумен ыздырылады да азана беріледі.

Нтижесінде цикл тйыталады. Циклдаы жмысты денені (суды) шыыны су дайындау жйесінде дайындалан тазартылан осымша су арылы толытырылады.

Сонымен жоарыда келтірілген слбадаы ондырыларды басым блігі жоары ысымды немесе жоары температуралы ортада жмыс істейді. Кейде жмысты денені лкен жылдамдыыны нтижесінде бырлар немесе ондырылар иілуге, созылуа шырайды. Кейбір жадайда коррозияа шырап жатады. Сондытан бндай ондырыларды материалдарына ойылатын талаптар жоары. Яни оларды материалы осындай ортаа тзімді болуы шарт. Жылу электр станцияны кейбір ондырыларыны андай типті металдан жасалатындыы 1-кестеде келтірілген.

 

1– к е с т е. ЖЭС кейбір ондырыларыны металл типтері

Металл трі мен типі, маркасы олданылу ортасы Жмысты температурасы, 0С
Мартенситті-ферритті класты болат 15Х6СЮ азанды ондырыны блшектері, бырлар -
Темір-никельді болат орытпасы ХН45Ю Оттыты блшектері, термопараларды сырты аптаулары 1250-1300
Аустенитті класты болат 36Х18Н25С2 Форсункаларды бастары
Аустенитті класты болат12Х25Н16Г7АР Жану камерасы
Никель негізді болат орытпасы ХН75МБТЮ Жану камерасыны блшектері
Ферритті класты болат 15Х28 бырлар
Аустенитті-ферритті класты болат 08Х20Н14С2 Ошаты жоары блігіні бырлары
Аустенитті класты болат12Х18Н25СТ Ошаты жоары блігіні бырлары
Никель негізді болат орытпасы ХН78Т Жану камерасыны блшектері
Аустенитті класты болат09Х14Н16Б Жоары ысымды ондырыларды бырлары

 

 

1– кестені жаласы

Перлитті класты болат 12Х1МФ Буды аса ыздырышты бырлары, 570-585
Мартенситті-ферритті класты болат 18Х12ВМБФР азанды ондырыны бырлары
Мартенситті класты болат 15Х5, 20Х13, 18Х11МНФБ, 20Х12ВНМФ Турбинаны алатары, роторы, бырлар
Мартенситті класты болат 15Х11МФ Турбинаны жмысты жне баыттаушы алатары 560-600
Аустенитті класты болат 12Х18Н9 Жылуалмастырыштар
ферритті класты болат 12Х17, 08Х17Т, 08Х17Т1 Жылуалмастырыштар, термопаралар
Мартенситті класты болат 40Х9С2 Жылуалмастырыштар
Мартенситті класты болат 15Х5 Соры блшектері
Хромды шойын ЧХ28 Газды ортада жмыс істейтін блшектер 1100-1150
Алюминийлі шойын ЧЮ22Ш Газды ортада жмыс істейтін блшектер 1100-1150
Кремнийлі шойын ЧС5 Ттін жолыны блшектері
Кремнийлі шойын ЧС5Ш Ттін жолыны блшектері

 

Бл оу ралында металдарды трлері, сипаттамалары, металды кристалды рылымы, оларды рылымы мен асиеттеріне кристалдану процесіні сері, серпімді деформация мен айта кристалдану процесі арастырылан. рылымды материалдарды асиеттері мен негізгі физикалы рылысы келтірілген. ртрлі жктеме кезінде материалды механикалы асиеттерін анытауды дісі келтірілген. орытпада тзілетін фазалар сипатталан. Материалдар, олара ойылатын талаптар, материалды механикалы асиеттері жне осы асиеттерді ртрлі деформациялар кезінде анытау дістері баяндалан. Металды беріктігі, аттылыы, соыа ттеп беруі сияты асиеттерін сынаулар нтижесінде анытау тсілдері арастырылан.

орытпалар теориясыны негіздері талыланан. орытпалардаы негізгі фазалар, фазалы згерістер жне жиі олданылатын орытпаларды кй диаграммасын трызу дістері, кй диаграммасыны талдануы крсетілген.

 

Жылуэнергетика мен жылутехнологияда олданылатын барлы дерлік ондырылар, рылылар, бырлар темір металдан, яни болаттар мен шойындардан, ыстыа тзімді иын балитын металдардан жасалатыны баршаа млім. Осыан сйкесті оу ралында ара металдар, соны ішінде болаттар мен шойындар, оларды рылымы мен асиеттері келтірілген.

Металдар туралы жалпы малмат

 

Материалдарды негізгі трлері металдар. Химиялы элементтерді барлыы металл жне металл емес болып екіге блінеді. Табиатта жзден астам элементтер кездеседі, соны шамамен сексенге жуыы металдар. Барлы металдарды жалпы зіне тн асиеттері болады, яни металды жмсатыы, аттылыы, созылыштыы, электр ткізгіштігі, жылуткізгіштігі, ерекше металды жылтырлыы, жне т.б. болады, мндай асиеттер металл орытпаларында да кездеседі. Металл асиеттерін здеріні ерекше ішкі рылысы амтамасыз етеді. Металл атомын схема трінде араанда оны о зарядталан ядро мен оны жан-жаында р трлі ашытыта айналып тратын электроннан тратын зат деуге болады. Бл ядроны сырты абаттаы (валенттілік) электрондарды тарту сері ішкі абаттаы электрондарды тарту серімен тебе-те. Сондытан валенттілік электрондар оп-оай ажырап, ешандай кедергісіз барлы баытта орын ауыстырып, озалып тратын электронды газдан трады. Егер металда потенциал айырмашылыын жасаса, онда электрондар бір баытта озалып, электр тоы пайда болады. Электронды газ метала тн, бл байланыс зіні табиатында металл еместерде де кездесетін ионды жне коваленттік байланыса самайды. Заттарды атом аралы байланысыны негізгі типтеріне ионды коваленттік жне металды трлері жатады.

Химияда металдар деп периодты жйені сол жа блігінде орналасан элементтер тобын айтады.Бл топты элементтері, металл емес баса элементтермен реакцияа тскенде зіні сырты валенттік электрондарын береді. Мны себебі металды сырты электрондары ядромен нашар байланысан, сонымен атар оларды саны кп емес (барлыы 1-2), ал металл еместерде ол электрондар кп (5-8) болады. Сонымен Ga, In, Ti элементтеріні сол жаында орналасан элементтер металдар, ал мышьяк, сурьма, висмутты о жаында орналасан элементтер метал еместер. Ал III В, IVВ, VВ топтарда орналасан In, Te, Sn, Pb, Sb, Bi – металдар жне металл еместер C, N, P, As, O, S жне орталы элементтер (Ga, Si, Ge, Se) болуы ммкін.

Техникалы таза металдарды беріктік асиеттері тмен боландытан, машина жасауда негізінен оларды орытпаларын пайдаланады. Сонымен техникада металдар деп металды жарылы бар жне электр, жылу ткізгіштік, пластикалы асиеттері жоары заттарды айтады. Осы белгілері арылы металдарды металл емес денелерден оай ажыратуа болады.

Кез келген металды зіне тн рылысы жне асиеттері бар. Барлы металдар ара жне тсті болып екі топа блінеді (1.1 суретті ара).


 

1.1 сурет - Менделеев кестесіні «Металды блігі»


Темір негізінде алынан орытпаларды ара металл деп атайды, олара шойын мен болат жатады. ара металдара тн ара-срылт тс, аса жоары тыызды, те жоары балу температурасы, те жоары салыстырмалы беріктіктігі жне олар кп жадайда полиморфты кйде болуы ммкін. Осы асиеттерді брін бойына игерген ара металды бірі – темір Fe. ара металдара сонымен Mn – реттік нмірі z=25, кобальт Co - z=27, никель Ni – z=28 жатады. ара металдар з ішінде темір металдар, нашар балитын, уранды, жерде сирек кездесуші, жер сілтілік болып бірнеше трлерге блінеді.

Темір металдар - темір, кобальт, никель (кейде оларды ферромагнетиктер деп атайды) жне асиеті жаынан осы металдара сас марганец жатады. Кобальт, никель жне марганецті кбінеки темір орытпаларына оспа ретінде олданылады.

Нашар балитын металдар, балу температурасы темірден жоары (яни, 1539°С жоары) металдар. Олар легірленген болаттара оспа ретінде олданылады.

Уранды металдар – актинидтер, негізінде атом энергетикасында олданылады.

Жерде сирек кездесуші металдар - лантан, церий, неодим, празеодим жне т.б., лантаноидтара жинаталан металдар жне осы металдармен асиеттері сас иттрий мен скандий. Бл металдарды химиялы асиеттері сас, біра физикалы асиеттері (балу температурасы жне т.б.) ртрлі болады.

Жер сілтілік металдар жеке металл кйінде аса ерекше жадай (мысалы атом реакторларында жылутасымалдаыш ретінде жеке металл трінде олданылады) болмаса олданылмайды.

Тсті металдара зіне тн белгілі тсі бар (ызыл, сары, а), пластикалы (иілгіш), аттылыы аз, балу температурасы тмен, полиморфты асиеттері жо металдар жатады. Бл топты ерекше мшесі – мыс Cu. Ал тсті металдар жеіл, асыл, жеіл балитын болып з тобыны ішінде таы ш трге блінеді.

Жеіл металдар - бериллий, магний, алюминий, титан жне тыыздыы тмен металдар.

Асыл металдар – алтын, кміс, платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Блара сонымен атар «жартылай асыл» мыс жатады. Коррозияа тзімді металдар жатады.

Жеіл балитын металдар - цинк, кадмий, сынап, алайы, орасын, висмут, таллий, сурьма. Галлий мен германий (металды асиеті тмен металдар).

орытпа деп екі немесе одан да кп элементтер оспасын балытып алынан оспаны айтады. Металдардан алынан жне бойына оларды асиетін игерген орытпалар метал орытпалары деп аталынады.

Барлы металдар кристалды рылысы бар заттар. Металдардан баса кристалды рылысы бар денелер атарына тз, ант, алмас т.б. заттар жатады.