Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» (УрФУ)

Уральский энергетический институт (УралЭНИН)

Реферат по дисциплине: «Конструкционное материаловедение»

Тема: «Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе»

Студент: Петров Н.А.

Группа: ЭН-200003

Преподаватель Яковенко С.Р.

Екатеринбург 2021

Оглавление

Введение

1. Тугоплавкие металлы

1.1 Свойства тугоплавких металлов

1.1.1 Основные свойства

1.1.2 Термодинамические свойства

1.1.3 Теплопроводность

1.1.4 Электрические свойства

1.1.5 Механические свойства

1.1.6 Твердость

2. Применение

2.1 Вольфрам и его сплавы

2.2 Сплавы молибдена

2.3 Сплавы ниобия

2.4 Тантал

2.5 Сплавы рения

2.6 Выбор тугоплавких металлов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Металлы и их сплавы играют очень важную роль в нашей жизни. Пожалуй, практически все современные технологические процессы не обходятся без металлов. Даже если на каком-либо производстве и не используются металлы и их сплавы в прямом виде, то они, вероятнее всего, косвенно связаны с этими процессами. Станки, автомобили, мобильные устройства, бытовая техника, мебель - любые вещи связаны с металлами и сплавами.

В данной работе хотелось бы остановиться на тугоплавких металлах. Будут рассмотрены подробнее основные понятия, определения, связанные с тугоплавкими металлами, а также с их сплавами. Будут разобраны свойства тугоплавких металлов, применение (в каких сферах используются конкретно). В заключении можно будет подвести итог, исходя из особенностей металлов, какую роль в нашей жизни играют именно тугоплавкие металлы, насколько они важны.

1. Тугоплавкие металлы

Стоит сказать пару слово термодинамических свойствах. Для расчетов термохимических реакций и разработки оптимальных технологических режимов плавки тугоплавких металлов термодинамические характеристики имеют важное значение. К ним относятся Т_пл., Т_кип, теплоты плавления и кипения, давление пара, свободная энергия образования оксидов, нитридов, карбидов и других химических соединений и т.д. Эти свойства важны и с точки зрения эксплуатации в различных конструкциях и устройствах. Наименьшее давление пара по сравнению с другими тугоплавкими металлами имеет вольфрам. Низкое давление пара свойственно и многим другим тугоплавким металлам - Ta, Mo, Nb. Исключением является хром, который характеризуется высокими значениями давления пара и поэтому имеет высокую летучесть. Важной термодинамической характеристикой является теплоемкость. При температурах, близких к комнатным, теплоемкость металлов определяется правилом Дюлонга и Пти. Удельная теплоемкость у титана 523 Дж/(кг*К), у вольфрама - 134 Дж/(кг*К). С повышением температуры наблюдается некоторое увеличение теплоемкости, описываемое уравнением:

,

Для металлов в жидком состоянии теплоемкость не меняется при изменении температуры от Т_пл. до Т_кип.

1.1.3 Теплопроводность

Что касается теплопроводности, то тугоплавкие металлы характеризуются низкой теплопроводностью по сравнению с другими металлами. Особенно низкая теплопроводность у металлов IV группы: титан - 170 Дж/(м-с-град); вольфрам 129. Теплопроводность тугоплавких металлов в значительной мере определяется чистотой, а также степенью деформации и вели чиной зерна.

1.1.4 Электрические свойства

Большинство тугоплавких металлов обладает высоким электросопротивлением. Оно уменьшается в ряду от IV к VI группе. При комнатной температуре ной температуре у титана электросопротивление равно 42 мкОм*см, у вольфрама - 5,5 мкОм*см. Объясняется высокое электросопротивление на основе зонной теории. Удельное электросопротивление является структурно чувствительным свойством. Экспериментально установлена зависимость с от Т:

,

где n меняется от 2 до 6 для различных металлов. При плавлении с возрастает в 1,5-2 раза. Большое удельное электросопротивление тугоплавких металлов позволяет использовать их при разработке высокоомных сплавов (элементы сопротивления печей).

1.1.5 Механические свойства

Большая энергия межатомной связи определяет высокую прочность при комнатной и высокой температурах. Приводимые в литературе данные по механическим свойствам тугоплавких металлов могут различаться, т.к. они сильно зависят от чистоты металла, размера образца и условий испытаний. Наибольшую прочность при комнатной температуре имеет рений, затем вольфрам. Сопротивляемость деформации и прочностные свойства мономорфных металлов зависят экспоненциально от температуры. Пластичность при этом монотонно возрастает с ростом температуры. Исключение составляет хром технической чистоты, у которого установлен эффект повышения прочности в некотором температурном интервале. Для полиморфных металлов характерно наличие скачков в изменении механических свойств при температурах превращения. Переход к высокотемпературной модификации сопровождается резким повышением пластичности. Большой интерес представляет удельная прочность тугоплавких металлов (отношение предела прочности к плотности). При комнатной температуре максимальную удельную прочность имеет титан. При температурах до 1400°С наибольшая удельная прочность у ниобия и молибдена. При Т>1400°С - у вольфрама.

1.1.6 Твердость

На свойства тугоплавких металлов большое влияние оказывают примеси, особенно примеси внедрения (кисло род, азот, водород, углерод, сера), Различная технология получения металла и изделий из него отражается на свойствах и, следовательно, при сравнительной оценке свойств необходимо учитывать метод по лучения металла. Чем меньше становится концентрация примеси при очистке металла, тем больше затраты энергии на ее удаление. Теоретически это можно объяснить энтропийным фактором, влияющим на величину изменения изобарно-изотермического потенциала (ДG= ДH - TДS). Чем меньше части примеси одного сорта, тем больше вариантов их распределения одном и том же объеме. Энтропия увеличивается.

2. Применение

Рассмотрим применение тугоплавких металлов на примере самых распространенных из них. Тугоплавкие металлы используются в качестве:

· источников света;

· деталей;

· смазочных материалов;

· в ядерной промышленности в качестве АРК;

· в качестве катализатора в химических реакциях.

Из-за того, что они имеют высокие температуры плавления, они никогда не используются в качестве материала для выплавки на открытом месте. В порошкообразном виде материал уплотняют с помощью плавильных печей. Тугоплавкие металлы можно переработать в проволоку, слиток, арматуру, жесть или фольгу.

2.1 Вольфрам и его сплавы

Вольфрам был найден в 1781 г. Шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов -- 3422 °C (6170 °F). Рений используется в сплавах с вольфрамом в концентрации до 22 %, что позволяет повысить тугоплавкость и устойчивость к коррозии. Торий применяется в качестве легирующего компонента вольфрама. Благодаря этому повышается износостойкость материалов. В порошковой металлургии компоненты могут быть использованы для спекания и последующего применения. Для получения тяжёлых сплавов вольфрама применяются никель и железо или никель и медь. Содержание вольфрама в данных сплавах как правило не превышает 90 %. Смешивание легирующего материала с ним низкое даже при спекании. Вольфрам и его сплавы по-прежнему используются там, где присутствуют высокие температуры, но нужна высокая твёрдость и где высокой плотностью можно пренебречь. Нити накаливания, состоящие из вольфрама, находят своё применение в быту и в приборостроении. Лампы более эффективно преобразуют электроэнергию в свет с повышением температуры. В вольфрамовой газодуговой сварке оборудование используется постоянно, без плавления электрода. Высокая температура плавления вольфрама позволяет ему быть использованным при сварке без затрат. Высокая плотность и твёрдость позволяют вольфраму быть использованным в артиллерийских снарядах. Его высокая температура плавления применяется при строении ракетных сопел, примером может служить ракета «Поларис». Иногда он находит своё применение благодаря своей плотности. Например, он находит своё применение в производстве клюшек для гольфа. В таких деталях применение не ограничивается вольфрамом, так как более дорогой осмий тоже может быть использован.

2.2 Сплавы молибдена

Широкое применение находят сплавы молибдена. Наиболее часто используемый сплав -- титан-цирконий-молибден -- содержит в себе 0,5 % титана, 0,08 % циркония и остальное молибден. Сплав обладает повышенной прочностью при высоких температурах. Рабочая температура для сплава -- 1060 °C. Высокое сопротивление сплава вольфрам-молибден (Mo 70 %, W 30 %) делает его идеальным материалом для отливки деталей из цинка, например, клапанов. Молибден используется в ртутных герконовых реле, так как ртуть не формирует амальгамы (жидкие или твердые сплавы ртути с другими металлами) с молибденом. Молибден является самым часто используемым тугоплавким металлом. Наиболее важным является его использование в качестве усилителя сплавов стали. Применяется при изготовлении трубопроводов вместе с нержавеющей сталью. Высокая температура плавления молибдена, его сопротивляемость к износу и низкий коэффициент трения делают его очень полезным материалом для легирования. Его прекрасные показатели трения приводят его к использованию в качестве смазки, где требуется надежность и производительность. Применяется при производстве ШРУСов в автомобилестроении. Большие месторождения молибдена находятся в Китае, США, Чили и Канаде.

2.3 Сплавы ниобия

Ниобий почти всегда находится вместе с танталом; ниобий был назван в честь Ниобы, дочери Тантала в греческой мифологии. Ниобий находит множество путей для применения, некоторые он разделяет с тугоплавкими металлами. Его уникальность заключается в том, что он может быть разработан путём отжига для того, чтобы достичь широкого спектра показателей твёрдости и упругости; его показатель плотности самый малый по сравнению с остальными металлами данной группы. Он может применяться в электролитических конденсаторах и является самым частым металлом в суперпроводниковых сплавах. Ниобий может применяться в газовых турбинах воздушного судна, в электронных лампах и ядерных реакторах. Сплав ниобия C103, который состоит из 89 % ниобия, 10 % гафния и 1 % титана, находит своё применение при создании сопел в жидкостных ракетных двигателях, например таких как Apollo CSM. Применявшийся сплав не позволяет ниобию окисляться, так как реакция происходит при температуре от 400 °C.

2.4 Тантал

Тантал является самым стойким к коррозии металлом из всех тугоплавких металлов. Важное свойство тантала было выявлено благодаря его применению в медицине -- он способен выдерживать кислую среду (организма). Иногда он используется в электролитических конденсаторах. Применяется в конденсаторах сотовых телефонов и компьютера.

2.5 Сплавы рения

Рений является самым последним открытым тугоплавким элементом из всей группы. Он находится в низких концентрациях в рудах других металлов данной группы -- платины или меди. Может применяться в качестве легирующего компонента с другими металлами и придает сплавам хорошие характеристики -- ковкость и увеличивает предел прочности. Сплавы с рением могут применяться в компонентах электронных приборов, гироскопах и ядерных реакторах. Самое главное применение находит в качестве катализатора. Может применяться при алкилировании, деалкилировании, гидрогенизации и окислении. Его столь редкое присутствие в природе делает его самым дорогим из всех тугоплавких металлов.

2.6 Выбор тугоплавких металлов

Итак, разобрав свойства тугоплавких металлов, их сплавов, а также применение, можно дать несколько пояснений, почему именно тугоплавкие металлы используются в той или иной сфере промышленности, какие требования выдвигаются к металлам. К деталям, работающим при высоких температурах в газотурбинном двигателе, относятся рабочие лопатки турбины, направляющие лопатки, диски, корпус камеры сгорания. В процессе работы рабочие лопатки подвергаются воздействию растягивающих напряжений и высокой температуры. Величина растягивающих напряжений достигает примерно 140 МПа. Разогрев материала лопаток происходит до 650…980 °С. Кроме высокой прочности материал лопаток должен иметь достаточную пластичность, сопротивление усталостной деформации. Следует отметить еще одно требование к материалу, относящееся к технологичности. Материал должен прочно соединяться с диском, к которому крепятся лопатки и обладать высокой стойкостью к окислению, так как продукты сгорания содержат кислород и кислородсодержащие соединения. Из других требований отметим следующие: стойкость к коррозии горячими газами; стойкость к термической усталости; постоянство механических свойств. Сопловые лопатки подвергаются воздействию растягивающих напряжений и высоких температур. Величина растягивающих усилий достигает 70 МПа. Температура лопаток может превышать 1100 °С. Основные требования к материалу сопловых лопаток следующие: сопротивление ползучести при высоких температурах; сопротивление термической усталости; стойкость в условиях газовой коррозии и эрозии; высокая ударная вязкость. Диски турбин могут нагреваться до температуры 800 °С. Максимальную температуру имеет наружный обод диска, в котором крепятся рабочие лопатки. Из-за высоких центробежных нагрузок рабочие напряжения могут достигать 500 МПа, материал диска должен обладать высокой прочностью при растяжении, иметь высокое сопротивление ползучести в условиях рабочих температур, а также иметь хорошие усталостные характеристики. Материал камеры сгорания должен обладать высокой стойкостью к окислению, выдерживать термическую усталость, противостоять короблению. Необходимо, чтобы он хорошо сваривался и деформировался, что необходимо при изготовлении камеры сгорания. Особенно важное значение в самолетостроении и ракетостроении имеют удельная прочность и удельная жесткость материала. Высокая удельная жесткость в сочетании с хорошей удельной прочностью позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости. тугоплавкий металл вольфрам молибден

Как можно понять, всем этим требованиям соответствуют тугоплавкие металлы и их сплавы, почему их и используют во многих сферах промышленности.

Заключение

В данной работе были рассмотрены такие понятия, как тугоплавкие металлы, какие металлы к ним относятся (и сплавы), их свойства (механические, термодинамические, электрические и т.п.). В силу своих свойств, особенностей тугоплавкие металлы применяются во многих сферах промышленности, начиная мелкой электроники и гаджетов, заканчивая ракетостроением. Это доказывает высокую востребованность тугоплавких металлов в жизни человека. Несомненно, наше будущее, развитие человечества попросту невозможно без этих металлов. И отвечая в заключении на вопрос, поставленный еще во введении, насколько важны тугоплавкие металлы, можно ответить, что они незаменимы.

Список использованной литературы

1. «Тугоплавкие металлы и их сплавы» - https://heattreatment.ru/tugoplavkie-metally-i-ih-splavy.html

2. Тугоплавкие металлы: применение и свойства тугоплавких металлов: курс лекций / В.С. Челноков, И.В. Блинков, В.Н. Аникин, А.О. Волхонский

3. Тугоплавкие металлы - https://ru.wikipedia.org/wiki/Тугоплавкие_металлы

Размещено на Allbest.ru