Секция: "Материаловедение и технология конструкционных материалов"

Секция: "Материаловедение и технология конструкционных материалов"

Проведённое исследование посвящено изучению нанокомпозитных материалов и нанотехнологий.

Одним из ключевых моментов для наблюдаемого на данный момент быстрого развития науки о наноразмерных объектах стало создание микроскопа, более совершенного, чем электронный. Изобретение Генриха Рехрера и Джердома Карла Биннига в 1981 г. из компании IBM Corp. сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) впервые позволило наблюдать отдельные атомы на поверхности образца.

В научном издании "Nanocomposite science and technology" нанокомпозит определяется как многокомпонентный твердый материал, в котором один из компонентов в одном, двух или трех измерениях имеет размеры, не превышающие 100 нанометров; также под нанокомпозитами понимаются структуры, состоящие из множества повторяющихся компонентов-слоев (фаз), расстояние между которыми измеряется в десятках нанометров.

Нанокомпозиты благодаря своим впечатляющим физическим и химическим характеристикам способны принести пользу в самых разных сферах.

Исследователям, занимающимся нанокомпозитами, удалось изобрести метод создания анодов из кремниевых наносфер и углеродных наночастиц для литиевых элементов питания. Аноды, изготовленные из кремниево-углеродного нанокомпозита, намного более плотно прилегают к литиевому электролиту, уменьшая вследствие этого время зарядки или разрядки устройства.

Рис. 1. Углеродные нанотрубки

Исследователи Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator (США) решили проблему быстрой деградации кремниевых анодов. В перспективе такие аноды могут позволить аккумуляторам достигнуть емкости в 10 раз большей по сравнению с аккумуляторами с графитовыми анодами.

Особое место в разработке нанокомпозитных материалов занимает графен (рис. 2). Установлено, что добавление графена к эпоксидным композитам приводит к увеличению жесткости и прочности материала по сравнению с композитами, содержащими углеродные нанотрубки (см. рис. 1).

Нанокомпозиты на основе полимерных матриц и нанотрубок способны изменять свою электрическую проводимость за счет смещения нанотрубок относительно друг друга под влиянием внешних факторов. Это свойство можно применить для создания микроскопических сенсоров, определяющих интенсивность механического воздействия за сверхкороткие промежутки времени.

Ученые также надеются, что нанокомпозиты помогут ускорить восстановление структуры поврежденных костей, если вдоль них установить направляющие рост и регенерацию тканей костей шарниры, сделанные

из полимерного нанокомпозита, содержащего нанотрубки.

Интерес к нанокомпозитам и присущим им уникальным свойствам растет экспоненциально. При невероятно малых их размерах законы квантовой механики точнее описывают поведение отдельных наночастиц, замещая классическую ньютоновскую физику, в которой закономерности гравитации, оптики и ускорения представляют собой статистические соотношения. По мере уменьшения структур упорядоченных атомов до столь малых размеров, свойства материалов переходят в свойства атомов и молекул на поверхности частиц, которые часто поразительно отличаются

от свойств относительно массивных частиц материалов.

1. Материалы будущего: нанокомпозиты. Режим доступа: http://www. nanonewsnet.ru/articles/2012/materialy-budushchego-nanokompozity
2. Структура, свойства и методы использования углеродных нанотрубок. Режим доступа: http://studyport.ru/referaty/tochnyje-nauki/3737-struktura-svojstva-i-metody-ispolzovanija-uglerodnyh-nanotrubok
3. Волокна с углеродными нанотрубками. Режим доступа: http://rustm. net/catalog

В современном мире, всё, что нас окружает, сделано из различных материалов. Но все они имеют свойство изнашиваться с течением времени (рис. 1). Люди задаются вопросом – как можно продлить срок эксплуатация и как сохранить материал в первозданном виде как можно дольше? Обычно для восстановления любого материала, изделия, прибора, устройства люди прибегали к простому ремонту путем шлифовки и резки, либо его замене и изготовления нового – но этот процесс достаточно затратный и долгий и часто экономически не выгодный.

Рис. 1. Изношенная внутренняя поверхность цилиндровой втулки

В наши дни появилась новая технология, помогающая решить проблему износа материалов быстро, недорого и главное качественно.

История компании Belzona

Belzona была основана в 1952 году в городе Элланд, Англия, как компания, специализирующаяся в газопламенном напылении цинка на сталь для защиты от коррозии. В настоящее время Belzona является лидером в разработке и производстве промышленных защитных покрытий и ремонтных композитов.

Начав свое развитие с производства цинксодержащих полимерных покрытий, Belzona переросла в производителя технологически передовой продукции, которая занимает лидирующие позиции среди полимерных систем и инженерного техобслуживания, она предоставляет необходимую поддержку по всему миру.

1. Восстановление деформированных сопряжённых поверхностей редукторов и корпусов.
2. Восстановление корпусов подшипников и втулок до точных размеров.
3. Восстановление сорванной резьбы в таких областях оборудования, как накладки и пробки поддонов.
4. Эффективный ремонт трещин и отверстий, вызванных по причинам механических поломок, износа, эрозии и коррозии (рис. 2).
5. Ремонт эрозионного и коррозионного разрушения, а также кавитационного износа блока и гильз цилиндров.

Рис. 2. Восстановление поверхности с помощью композитных материалов Belzona

Полимерные композиты Belzona для ремонта металла с высокой устойчивостью к эрозии и коррозии обеспечивают быстрый ремонт поломок, ускоряя возврат в эксплуатацию такого критического оборудования, как двигатели и корпуса, по сравнению с традиционными методами ремонта, что способствует минимизации времени простоя производства и финансовых затрат.

Рис. 3. Повреждения деталей, вызванные коррозией

Повреждения, возникшие по причинам кавитации, ударной нагрузки, коррозии и растрескивания (рис. 3) могут быть быстро отремонтированы с помощью композитных материалов Belzona.

1. Кнорозов Б. В., Усова Л. А. Технология металлов и материаловедение : учебник для вузов и техникумов. – М. : Металлургия, 1987. – 145 с.
2. Фетисов, Г. П. Материаловедение и технология металлов. – М. : Высшая школа, 2000. – 259 с.
3. Лахтин, Ю. М. Материаловедение. – М. : Машиностроение, 1990. – 150 с.
4. http://rca-m.com/catalog/Belzona.pdf

Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при

их местном или общем нагреве, пластическом деформировании или совместном действии того и другого.

В результате процесса сваривания образуются сварные соединения,

их существует 5 основных видов: стыковое, угловое, тавровое, нахлёстное, торцевое. Все они могут выполняться со сварными швами разного вида – стыковые, угловые, точечные, прерывистые, непрерывистые, однослойные и многослойные, фланцевые, и т. д.

В процессе сварки в металле шва и в зоне термического влияния могут возникать различные дефекты, которые снижают прочность соединения, приводят к негерметичности, швов и снижению эксплуатационной надежности изделия, дефекты возникают из-за нарушения требований нормативных документов к подготовке, сборке и сварке соединяемых узлов, механической и термической обработке сварных швов и самой конструкции, к сварочным материалам. Наиболее часто встречающиеся дефекты можно разделить на внешние, внутренние и сквозные.

При сварке используются различные источники энергии: электрическая дуга, электрический ток, газовое пламя, лазерное излучение, электронный луч, трение, ультразвук.

Основным физическим признаком сварки является вид энергии, используемой для получения сварного соединения. По физическим признакам все виды сварки делятся на три класса:

Термический класс: виды сварки, осуществляемые плавлением с использованием тепловой энергии, газовая, дуговая, электронно-лучевая, лазерная и др. Сварочная дуга, орбитальная сварка, газопламенная сварка, электрошлаковая сварка, термитная сварка, плазменная сварка, электронно-лучевая сварка, лазерная сварка, стыковая сварка пластмасс оплавлением, сварка с закладными нагревателями.

Термомеханический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления – контактная, диффузионную, газо-

и дугопрессовую, кузнечную и др. Кузнечная сварка, контактная сварка, диффузионная сварка, сварка высокочастотными токами, сварка трением.

Механический класс: виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии – холодная, трением, ультразвуковую, взрывом и др. Сварка взрывом, ультразвуковая сварка металлов, холодная сварка.

а – покрытым (плавящимся металлическим) электродом; б – угольным (неплавящимся) электродом

Ручная дуговая сварка.

Ручная аргонодуговая сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом.

Ручная плазменная сварка.

При горении в аргоне дуги переменного тока между вольфрамовым электродом и свариваемым металлом происходит частичное выпрямление тока и в сварочной цепи появляется составляющая постоянного тока. Это нежелательное явление, так как оно снижает тепловую мощность дуги, уменьшает глубину провара и площадь сечения шва. При значительной величине составляющей постоянного тока не происходит достаточного разрушения окисной пленки при сварке сплавов алюминия и магния и очистки их поверхности от окислов, отчего качество шва ухудшается.

Для устранения составляющей постоянного тока при сварке на переменном токе в сварочную цепь последовательно включают конденсаторы емкостью 100 мкф (микрофарад) на 1 А сварочного тока или активное (омическое) сопротивление.

1. Газоэлектросварщик. Новый строительный справочник / А. А. Федотов, В. А. Чебан. – М. : Феникс, 2009. – 256 с.
2. Краткий справочник сварщика / С. Л. Корякин-Черняк – СПб. : Наука и техника, 2010. – 288 с.
3. Электродуговая сварка. Практика и теория / О. М. Черный. – СПб. : Феникс, 2009. – 320 с.
4. Сварка. Резка. Контроль. Справочник (комплект из 2 книг) / Н. П. Алешин. – СПб. : Машиностроение, 2004. – 1104 с.

Паяльные флюсы, неметаллические вещества, применяемые для удаления окисной плёнки с поверхности припоя и паяемого материала и для предотвращения её образования в процессе пайки, а также для снижения поверхностного натяжения припоя. Применяют паяльные флюсы в порошкообразном состоянии, в виде паст и в виде водных, спиртовых или глицериновых растворов. Действие паяльных флюсов проявляется лишь в определённом диапазоне температур. Некоторые из них могут успешно применяться для пайки различных материалов, др. имеют лишь узкоспециализированное назначение. Наиболее универсальными для высокотемпературной пайки сталей и медных сплавов являются паяльные флюсы на основе Na2B407

и H3BO3; для низкотемпературной пайки – паяльные флюсы на основе ZnCl2. Для пайки алюминиевых сплавов широко применяют флюс, содержащий 8% ZnCl2, 10 % NaF, 32 % LiCI и 50 % KCI.

В качестве паяльных флюсов используются неметаллические вещества различного химического состава, предназначенные для удаления с паяемых металлов и припоя окисных пленок, предотвращения образования их в процессе нагрева, для снижения поверхностного натяжения жидкого припоя и для защиты подготовленных к пайке поверхностей от воздействия внешней среды. Из многочисленных рецептур паяльных флюсов, рекомендуемых для пайки металлов низкотемпературными припоями, в производстве применяется ограниченный ряд стандартизованных флюсов, которые в наибольшей степени удовлетворяют особенностям электромонтажных соединений и возрастающим требованиям к их качеству и надежности. При лужении, консервации и пайке наряду с канифолью марок А и В (ГОСТ 19113-73) используются жидкие паяльные флюсы.

Наряду с использованием в процессах пайки флюсы марок ФКСп, ФКЭт и ФПЭт широко применяются в качестве консервирующих покрытий при длительных сроках складского хранения. Вторую группу составляют коррозионно-активные флюсы, которые не содержат смол, обладают высокой флюсующей активностью в большом интервале (140–400 °С) температур пайки. Но эти флюсы в исходном состоянии и их остатки после пайки вызывают коррозию металлов, снижают электрическое сопротивление изоляции и тем самым исключают возможность широкого применения их для пайки электромонтажных соединений. Основное применение коррозионно-активные флюсы нашли в процессах лужения и восстановления паяемости монтажных элементов перед последующей их консервацией или пайкой с помощью флюсов, имеющих слабую флюсующую активность.

В состав флюсов должны входить компоненты, обладающие травящими или сильно восстанавливающими свойствами, так как они, очищая поверхность твердого металла от оксидной пленки, повышают поверхностное натяжение твердого металла и тем самым улучшают смачивание его расплавом.

• Некоррозионные (защитные) флюсы для пайки оказывают только защитное действие. Из-за слабой активности они неспособны растворять оксидную пленку большинства металлов и могут применяться главным образом при пайке меди и ее сплавов, а также стальных изделий, покрытых серебром, медью, оловом или кадмием. К таким флюсам относятся канифоль и ее растворы в спирте или в органических растворителях, а также древесные смолы, воск, стеарин, вазелин. С применением защитных флюсов можно паять только легкоплавкими припоями.
• Слабокоррозионные флюсы для пайки более активны, чем некоррозионные, и состоят из животных жиров, минеральных масел, органических кислот (молочной, лимонной, олеиновой, стеариновой, бензольной, щавелевой и других), их растворов в воде или спирте или в производных органических кислотах и основаниях (гидрогалоиды, хлориды и фториды аминов). Для ослабления коррозионного действия к ним добавляют канифоль или другие компоненты, не вызывающие коррозии. Слабокор-розиониые флюсы легко испаряются, сгорают или разлагаются при нагреве. Их применяют при пайке легкоплавкими припоями.
• Коррозионные флюсы для пайки состоят из неорганических кислот, хлоридов и фторидов металла. Их применяют в виде водных растворов в твердом и пастообразном состоянии. Коррозионные флюсы способны разрушать стойкие оксидные пленки черных и цветных металлов. Эти флюсы эффективны при пайке большинства металлов любым методом.

• для пайки легкоплавкими припоями;
• для пайки тугоплавкими припоями.

Наиболее часто употребляют при пайке медными, серебряными и золотыми припоями буру и ее смесь с борной кислотой. Для повышения активности флюса в эти смеси рекомендуется добавлять фтористые и хлористые соли.

1. Петрунин И. Е. Физико-химические процессы при пайке. – М. : Высшая школа. – 1972.
2. Большая Советская Энциклопедия. – М. : Советская энциклопедия, 1978.
3. Паяльные флюсы, их состав и применение. [Электронный ресурс]: http://skyflex.air.ru/pages/technology/metal/metal06.shtml
4. Флюсы и паяльные жидкости для пайки металлов. [Электронный ресурс]: http://techno.x51.ru

Использование электронных приборов ставит необходимым вопрос создания целого арсенала материалов, уникальных и тонких технологических процессов. Современная радиотехника и в особенности высокочастотная, приборы и аппаратура радиоэлектроники требуют большого количества конструкционных и специальных радиотехнических материалов, свойства которых должны удовлетворять самым разнообразным условиям их применения.

Под радиотехническими материалами понимают материалы, которые обладающие особыми свойствами по отношению к электрическому, магнитному и электромагнитному полям. Они разделяются на 4 группы:

Требования, которым должны удовлетворять радиоматериалы:

–обладать высокими электрическими (магнитными) характеристиками;

– нормально работать при повышенных, а иногда при низких температурах;

– иметь достаточную механическую прочность при различных видах нагрузки, устойчивостью к тряске, вибрации, ударам;

– обладать достаточной влагостойкостью, химической стойкостью, стойкостью к облучениям;

– не иметь заметно выраженного старения;

– удовлетворять технологичности, т.е. сравнительно легко обрабатываться;

– быть недорогими и не дефицитными.

У магнито-мягких материалов значения коэрцитивной силы невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно "узкая". Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие "широкую" петлю гистерезиса, относятся к магнито-жестким.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10 –2 – 10 –4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

1. Фетисов Г. П. Материаловедение и технология металлов. – М. : Высшая школа, 2000. – 259 с.
2. Бочаров Е. И. Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника. Ч. 1. – 1999.
3. Солнцев Ю. П., Пряхин Е. И. Материаловедение. – СПб. : Химиздат, 2004. – 233 с.
4. Аграновский К. Радиотехнические системы. – М. : Высшая школа. – 1979.
5. www.ru.wikipedia.org

На сегодняшний день существует множество программных продуктов, созданных для тестирования результатов образовательного процесса

в средних и высших учебных заведениях. К таким программам относится ряд программ самообучения и контроля знаний по различным дисциплинам, разработанных профессором МГТУ Марининым Алексеем Андреевичем. Однако, список дисциплин, читаемых на кафедре ТМиС, периодически расширяется. В связи с этим появляется необходимость создания новых тестовых систем или редактирования и дополнения существующей базы вопросов, что делает данную тему актуальной.

Целью данной работы является разработка программы для создания контрольных тестов по дисциплине "Материаловедение".

Для достижения поставленной цели был создан программный продукт, реализующий создание готовых тестовых программ – система проектирования и редактирования универсальных тестов "С.П.Р.У.Т.".

Рис. . Механизм создания вопросов

Предусмотрено два режима работы программы: создание нового теста и редактирование уже существующего. Для каждого созданного теста указывается идентифицирующая информация: название теста, его автор и год создания. Реализована динамическая система редактирования структуры базы вопросов.

Об алгоритме создания вопроса (рис. 1): вопросы создаются блоками. Каждому блоку вопросов соответствует свой набор ответов. Каждый блок вопросов привязывается к определенному параграфу или теме внутри программы.

• редактирование текста каждого из вопросов;
• редактирование вариантов ответа на каждый из блоков вопросов;
• изменение варианта ответа, который считается верным для данного вопроса;
• изменение темы/параграфа, к которому привязан данный вопрос;
• присутствует возможность поиска по базе вопросов;
• реализовано автосохранение.

Данные в создаваемых тестах защищены специально созданным криптографическим алгоритмом CXC-К3.

Рис. . Просмотр истории тестирований

Созданная тестовая оболочка предусматривает прохождение тестирования по выбираемой теме/параграфу. Тестирование проводится по 10 вопросам по выбранной теме. Ограничение по времени – 10 минут, ограничение по максимальному количеству допущенных ошибок – 4. Результаты пройденного тестирования отображаются в табличной форме. Также реализована возможность просмотра истории прохождения тестирований (рис. 2).

В данный момент завершается бета-тестирование программы и готовится релиз-версия, которая будет отправлена на регистрацию для получения авторского свидетельства.

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов в результате химического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой:

Электрохимическая коррозия – разрушение металла под воздействием возникающих в коррозионной среде гальванических элементов.

Химическая коррозия – взаимодействие поверхности металла с коррозионно-активной средой, не сопровождающееся возникновением электрохимических процессов на границе фаз.

Водородная коррозия – происходит при диффузии водорода в материал корпуса, затем водород вступает в реакцию с карбидами железа и образует метан. Если водород не выделяется, что часто происходит в нейтральной или сильно щелочной среде, происходит восстановление кислорода, это называется кислородной коррозией.

1. Конструкционный – применяют нержавеющие стали и цветные металлы. При проектировании конструкций стараются максимально изолировать от попадания коррозионной среды, применяя клеи, герметики, резиновые прокладки.
2. Активный – применяется наложение постоянного электрического поля с помощью источника постоянного тока, напряжение выбирается с целью повышения электродного потенциала защищаемого металла.

Рис. 1. Активный метод защиты от коррозии

1. Пассивный – нанесение какого-либо покрытия, которое препятствует образованию коррозионного элемента.

Ржавчина является одной из наиболее распространенных причин аварий мостов, так как ржавчина имеет гораздо больший объём, чем исходная масса железа, её наращивание может привести к неравномерному прилеганию друг к другу конструкционных деталей. Это стало причиной разрушения моста через реку Мианус в 1983 году (см. рис. 2), когда подшипники подъёмного механизма проржавели внутри. Три водителя погибли при падении в реку. Исследования показали, что сток дороги был перекрыт и не был почищен, а сточные воды проникли в опоры моста.

Рис. 2. Разрушение моста через реку Мианус

Качественные показатели коррозии металла:

– микроисследования (проводятся, чтоб определить характер коррозионного разрушения, установить, протекает ли межкристаллитное разрушение и т. п.);

– наблюдения за внешним видом исследуемых образцов (фотографирование, описание, внимательное наблюдение за поведением коррозионного раствора и т. п.);

– использования индикаторов (необходимо для того, чтоб определить катодные и анодные зоны участков, на которых наблюдается коррозионное разрушение).

В противокоррозионной практике для изоляции металла от агрессивной среды используют защитные покрытия. Чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии, покрытие должно быть сплошным, иметь хорошую адгезию с основным металлом (сцепление), быть непроницаемым для агрессивной среды, равномерно распределятся по поверхности, обладать высокой износостойкостью, жаростойкостью и твердостью (в отдельных случаях).