- •Н.В. Храмцов Основы материаловедения
- •Введение
- •Общие понятия о материалах
- •Исходные понятия
- •1.2. Классификация материалов
- •1. 3. Качество материалов
- •2. Свойства материалов
- •2.1. Химический состав. Макро и микроструктура металлов
- •2.2. Физические свойства материалов
- •Значения плотности некоторых материалов*
- •Взаимосвязь плотности с другими показателями
- •Где ф и o - прочность пористого (фактического) и беспористого материала;
- •Следовательно, более пористые материалы имеют более низкую прочность (рис. 2.2) по сравнению с материалами, имеющими меньше пор. Температурные характеристики
- •Т аблица 2.4 Некоторые температурные характеристики материалов
- •Коэффициенты теплопроводности материалов
- •Теплота плавления
- •Коэффициенты теплоемкости материалов
- •Коэффициенты линейного расширения материалов
- •Характеристики взаимодействия материалов с жидкостями и газами
- •Коэффициенты водопоглащения материалов
- •Электромагнитные свойства
- •Магнитные свойства материалов
- •2.3. Механические характеристики материалов
- •У сталостные испытания
- •2.4. Технологические свойства
- •Потребительские показатели качества материалов
- •Влияние воздуха и воды на свойства материалов
- •Влажность воздуха
- •Точка росы
- •2.7. Экологическая безопасность строительных материалов
- •Средние затраты энергии на производство единицы продукции
- •3. Металлы и сплавы
- •3.1. Кристаллическая структура металлов
- •3.2. Чугуны и стали
- •Сравнительные показатели чугунов и сталей
- •3.3. Углеродистые и легированные стали
- •Легированные стали
- •Арматурные стали
- •3.4. Жаростойкие и тугоплавкие металлы и сплавы
- •3.5. Термообработка сталей
- •Закалка сталей
- •3.6. Общие свойства цветных металлов и сплавов
- •Свойства цветных металлов
- •3.7. Алюминиевые сплавы
- •3.8. Медные сплавы
- •3.9. Свинец, олово, серебро и цинк
- •3.10. Титан и его сплавы
- •4. Каменные строительные материалы
- •4.1. Природные каменные материалы
- •4.2. Вяжущие неорганические материалы
- •Определение марки цемента в результате испытаний
- •4.3. Искусственные каменные материалы
- •Классификация бетонов
- •Классификация керамики
- •Основные различия между силикатными и керамическими кирпичами
- •4.3. Современные стеновые строительные материалы
- •5. Органические материалы
- •5.1. Лесоматериалы
- •Защита древесины от гниения и возгорания
- •5.2. Строительные изделия из древесины
- •Изделия из древесины
- •5.3. Использования древесных отходов
- •5.4. Органические вяжущие
- •5.5. Современные технологии деревянного домостроения
- •Клееные брусья
- •Термодревесина
- •6. Порошковые и композиционные материалы
- •6.1. Классификация порошковых материалов
- •Классификация порошковых материалов
- •Конструкционные металлические порошковые материалы по назначению могут быть:
- •6.2. Получение металлических порошков и изготовление деталей
- •6.3. Композиционные материалы
- •Примерами композиционных материалов являются:
- •7. Полимерные и пластические материалы
- •7.1. Общие свойства
- •Классификация полимерных материалов
- •Достоинства пластмасс:
- •Недостатки пластмасс:
- •7.2. Термопластичные полимеры
- •Группы полимерных материалов
- •Классификация наполнителей полимерных материалов
- •7.3. Изготовление и ремонт деталей
- •Сварка полимерных материалов
- •Способы сварки пластмасс
- •Клеевые составы на основе эпоксидных смол
- •7.5. Резиновые материалы
- •8. Основы получения сырья, обработки материалов, изготовления деталей и сборки конструкций
- •8.1. Добыча сырья
- •8.2. Изготовление материалов
- •Поризация строительных материалов
- •8.3. Обработка камня
- •8.4. Обработка древесины
- •8.5. Литье и прокатка металлов
- •Технология изготовления бесшовных труб
- •8.6. Резка металлов
- •Причины затрудненной резки некоторых сплавов
- •8.7. Антикоррозионная защита металлов и сплавов
- •8.8. Механическая обработка металлов
- •8.9. Сборка деталей
- •9. Сварка металлов
- •9.1. Классификация способов сварки
- •9.2. Тепловые процессы при сварке
- •9.2. Тепловые процессы при сварке
- •9.3. Основы электродуговой сварки и наплавки
- •9.4. Ручная электродуговая сварка и наплавка
- •9. 5. Особенности сварки чугуна и алюминия
- •9.7. Газовая сварка и наплавка
- •9.8. Оценка качества сварки
- •Методы контроля с разрушением сварного соединения
- •10. Перспективные технологии
- •10.1. Нанотехнологии
- •Размерные приставки для единиц измерения
- •Фуллерены
- •Нанотрубки
- •Шунгиты
- •Шунгит имеет следующие замечательные свойства:
- •Нанобетоны и наноасфальты
- •Полимерцементогрунт
- •Области применения наноматериалов
- •Научные перспективы
- •10.2. Фаббер-технологии в производстве деталей и строительных конструкций
- •10.3. Лазерные технологии
- •Характеристики резки материалов лазером мощностью 1,5 кВт
- •Литература
- •4.2. Вяжущие неорганические материалы -82
- •5. Органические материалы -102
- •6. Порошковые и композиционные материалы - 111
- •6.2. Получение металлических порошков и изготовление деталей -115
- •7. Полимерные и пластические материалы -120
- •9. Сварка металлов - 163
- •Механические свойства арматурной стали по классам
Влияние воздуха и воды на свойства материалов
Воздух и вода, с одной стороны, участвуют в технологическом процессе изготовления многих материалов, а с другой стороны, материалы и изделия работают в воздушной и влажной среде. При этом воздух и вода могут содержать какие то другие химические элементы, неблагоприятно воздействующие на материал, а физические параметры среды (концентрация химических элементов, температура и давление) меняются по времени.
Воздух - смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли (азот- 78 объемных %, кислород- 21 %, инертные газы 1%). Плотность воздуха 1, 293 кг/м3, замерзает он при –192 С.
Воздух имеет один из самых низких коэффициент теплопроводности (=0,023 Вт/(м×К), ниже этого только значение для азота (=0,021 Вт/(м×К), поэтому все современные строительные материалы имеют много пор, в которых находится воздух, выполняющий роль «теплоизоляционного материала».
Воздух и его компоненты широко используются в энергетике, в производстве сплавов металлов и многих строительных материалов.
Влажность воздуха
Температура, влажность и скорость воздуха являются факторами, обеспечивающими не только уровень комфортности для человека, но и влияющими на затраты энергии на содержание зданий, сооружений и машин, на их срок службы. Фактическое содержание влаги в 1м3 воздуха называется абсолютной влажностью. Измеряется она в граммах на кубический метр воздуха. Воздух, содержащий максимальное количество влаги, называется насыщенным. Количество влаги, максимально содержащее в воздухе, зависит от температуры и давления воздуха. Так, при нормальном атмосферном давлении (1 атм, или 760 мм рт. ст.) при 15 С в 1 м3 содержится 12,7 г воды (водяного пара), а при 30С уже 30,04 г (рис.2.28).
Отношение количества водяного пара, фактически имеющегося Счф в воздухе (абсолютная влажность) к тому количеству, которое необходимо для его полного насыщения Счн (рис.2.28) при той же температуре, называется относительной влажностью Wh:
Точка росы
Температура, при которой воздух, взятый при определенных условиях (относительной влажности, температуре и давлении) полностью насыщается, называется его точкой росы.
Рассмотрим пример по рис.2.28. Температура воздуха в помещении была 25 С при относительной влажности воздуха 24,5 %, т.е. в воздухе было g ф=24,5×22,8 / 100=5,59 грамм воды.
П ри понижении температуры эта вода при пересечении ординаты (5,59 г) с кривой насыщения начинает выпадать в виде росы, т. е. это произойдет при температуре, которая для этого случая и будет называться точкой росы (+2С). Доля человека комфортной является влажность воздуха 40…60%. Однако, в зимний период относительная влажность часто не превышает 10…20 %, при этом происходит быстрое испарение и высыхание слизистой оболочки носа, горла и легких, что и приводит к простудным и другим заболеваниям органов дыхания. Это происходит потому, что зимой холодный воздух, имеющий небольшое содержание воды (например, при –10 С в 1 м3 содержится всего 1,2 г воды), проникает в теплое помещение, где нагревается до +20С, а максимально возможная влагоемкость его при этой температуре составляет 17,3 г/м3, вследствие чего и происходит снижение относительной влажности.
Комфортной для человека является температура воздуха в пределах 21…25 С
Относительная влажность и температура воздуха, атмосферное давление влияют на выпадение (конденсацию) «излишков» воды в воздухе на ограждающие конструкции (стены, потолки, фундамент и др.), на трубы и поверхности приборов и машин. Стена здания, фундамент подвала «плачет», на них конденсируются капли воды. Это приводит к повышению теплопроводности и к разрушению материала ограждающих конструкций. Да и эстетически для человека это неприятно.
Вода - источник жизненных биологических процессов на Земле, она во много формирует климат и является важнейшим строительным материалом. Она широко используется в многочисленных технологических процессах получения и обработки строительных материалов, как компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов (цемента, гипса, извести).
При обеспечении жизнедеятельности человека и промышленного производства вода становится все более дефицитным материалом, особенно в масштабах планеты, поэтому в последнее время все большее внимание отводится водоподготовке и водоочистке, вопросам экономного расходования воды, внедрению замкнутых промышленных систем водопотребления.
С повышением температуры коэффициент теплопроводности не только воздуха, но и большинства строительных материалов увеличивается.
С увлажнением материала из- за проникновения воды в поры теплопроводность повышается (см. рис.2.3), т.к. значение для воды равняется 0,590 Вт / (мК), т. е. в десятки раз выше значений для воздуха - 0,023 Вт / (мК).
Если в порах вода замерзнет, то теплопроводность материала (пропитанного водой и замороженного) еще возрастает, т. к. льда= 2,1 Вт / (мК), т.е. в 4 раза выше коэффициента теплопроводности воды.
Отсюда следует, что если в порах материала находится сухой воздух, то будут минимальные потери тепла (=0,023 Вт / (мК) для воздуха), а если же в поры проникла вода, то потери тепла возрастают в десятки раз (коэффициент теплопроводности воды уже составляет 0,590 Вт / (м К)), а если эта вода замерзнет, то потери тепла возрастают уже почти в сто раз.
Вода при 0 С кристаллизуется (замерзает), а при 100 С - испаряется. Максимальная плотность воды при 3,98 С составляет 1000 кг/м3 (рис.2.29).
Более плотная вода (+4 оС) находится на дне водоемов, поэтому менее плотная (более нагретая, т.е. выше +4 оС) поднимается наверх, где постепенно в зимний период и замерзает, поэтому лед, как менее плотное вещество, плавает на поверхности воды. Из-за этого глубокие водоемы полностью зимой не промерзают.
Рис.2.29. Зависимость плотности воды от температуры