ответы на материаловедение 2 семестр. матвед экзамен. 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов

• Название: 1. Типы межатомных связей и их влияние на свойства материалов
• Анкор: ответы на материаловедение 2 семестр
• Дата: 13.09.2019
• Размер: 4.93 Mb.
• Имя файла: матвед экзамен.docx
• Тип: Документы; #86730
• страница: 15 из 15

Изучить при увеличении 400х и зарисовать микроструктуру: а) сплава системы «Pb–Sb» с 13% Sb; б) сплавы той же системы с 25% Sb. Объяснить, что собой представляют: а) темная структурная составляющая в обоих образцах, условия её образования и количество фаз, из которых она состоит; б) светлая структурная составляющая во втором образце (с 25% Sb). Указать условия образования зерен светлой составляющей и причины, по которым её зерна имеют большие размеры, чем зерна темной составляющей.



В сплавах системы «Pb–Sb» компоненты не взаимодействуют между собой, т.е. не образуют ни твердых растворов, ни химических соединений. Такие сплавы представляют собой смесь двух фаз, в данном случае зерен свинца и сурьмы. Фазовый состав всех сплавов этой системы при 20°C один и тот же (Pb+Sb). Отличие же состоит в структуре этих сплавов. Структура эвтектического сплава (13%Sb) образуется в процессе одновременной кристаллизации из жидкости постоянного химического состава кристаллов Pb и Sb при постоянной и самой низкой температуре. В

результате образуется двухфазная смесь, которая называется эвтектикой. Зерна (или пластины) Pb и Sb, входящие в состав эвтектики, имеют очень малые размеры вследствие одновременного зарождения большого количества центров кристаллизации Pb и Sb и малой скорости их роста при

постоянной температуре. Следовательно, эвтектика имеет большую протяженность границ зерен. Поэтому эвтектика при микроанализе с небольшими увеличениями (200х…400х) кажется темной структурной составляющей.
В доэвтектических сплавах (до 13%Sb) как и в заэвтектических (более 13%Sb) наряду с эвтектикой, которая кристаллизуется так же, как и в эвтектических сплавах, видны крупные светлые зерна избыточного компонента. Избыточным называют компонент, концентрация которого в

данном сплаве больше, чем в эвтектике. Это Pb – в доэвтектических сплавах и Sb – в заэвтектических. Зерна избыточного компонента выделяются первыми из жидкости в интервале более высоких температур (между линией ликвидус и солидус), поэтому они успевают укрупниться (коагулировать). Кристаллизация избыточного компонента приводит к изменению химического состава жидкой фазы сплава. По мере понижения температуры он стремится к

эвтектическому (13%Sb), и на горизонтальной линии диаграммы оставшаяся жидкость затвердевает в эвтектику.

42.Полимеры.

Строение полимеров.

Полимеры – высокомолекулярные вещества с очень большой молекулярной массой – 10⁵10⁷. Основа структуры полимеров – макромолекулы, которые построены из многократно повторяющихся звеньев – мономеров. В качестве примера приведем полиэтилен. Мономером полиэтилена является молекула этилена С₂Н₄, при соединении множества мономеров в молекулярную цепь образуется полимер – полиэтилен, его структурная формула – (здесь n – количество элементарных звеньев–мономеров, знак « – » означает активную связь; мономер полиэтилена имеет две активные связи). По свойствам полимеры резко отличаются от исходных мономеров. Так этилен, в отличие от полиэтилена, – газ.

Структуры макромолекул могут быть линейными, разветвленными и пространственными (рис.15.1). Истинная, вытянутая длина молекулы весьма велика (так, молекула полистирола, состоящая из 5000 звеньев имеет длину 122000нм; тогда как период решетки –железа – 0,286нм), но из–за наличия витков и петель расстояние между концами молекулы значительно меньше.

Мономеры в макромолекуле связаны между собой сильной ковалентной связью.

У полимеров с линейной и разветвленной структурой связь между макромолекулами обусловлена силами Ван–дер–Ваальса и, таким образом, достаточно слабая. Поэтому при повышении температуры такие полимеры легко размягчаются, становятся пластичными. Это термопластичные полимеры – термопласты. После охлаждения термопласты вновь затвердевают, приобретая первоначальные свойства. Никаких необратимых химических превращений в процессе нагрева и охлаждения термопласты не претерпевают.

Полимеры с пространственно замкнутой (сетчатой) структурой образуются мономерами, имеющими более двух активных связей, все звенья структуры в этом случае соединены ковалентными связями. Такие полимеры образуются в две стадии. На первой формируется линейная структура. Пространственная структура возникает на второй стадии в процессе отвердения. Оно происходит под воздействием температуры, давления, отвердителей вследствие протекания необратимых химических реакций, вызывающих возникновение связей (сшивания) между ранее разобщенными макромолекулами. Отверженное состояние полимеров является термостабильным. При нагреве они практически не меняют своих свойств вплоть до температуры, вызывающей деструкцию. Такие полимеры называются термореактивными или реактопластами. В зависимости от количества связей между макромолекулами различают густосетчатые (сбольшим количеством связей) и редкосетчатые (с малым количеством связей) полимеры.

Полимеры с пространственной сеткой всегда имеют аморфную структуру.

Структура линейных и разветвленных полимеров может быть аморфной или кристаллической – с правильным, регулярным расположением макромолекул. Однако, добиться полностью кристаллической структуры полимеров не удается. Степень кристалличности (отношение массы полимера, находящегося в кристаллическом состоянии, к общей массе) не превышает 80%. Это объясняется тем, что в процессе кристаллизации полимера к растущему кристаллу должна присоединиться целая пачка макромолекул (не атом или группа атомов, что характерно для кристаллизации металлов). Поскольку подвижность таких пачек мала, скорость кристаллизации у полимера значительно ниже, чем у металла, и полимеры, в отличие от металлов, легко получают аморфное строение.

Полимеры в зависимости от температуры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем состоянии.

Стеклообразное состояние характеризуется только колебательным движением атомов, входящих в состав молекулярной цепи, около положения равновесия; движения звеньев (мономеров) и перемещения макромолекул не происходит.

Такое состояние возможно для всех полимеров.

Высокоэластичное состояние присуще только полимерам с большим количеством элементарных звеньев (высокополимерам), макромолекулы которых скручены, имеют витки, петли. Оно характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при малых нагрузках. Это связано с тем, что в результате теплового движения происходят колебательные перемещения звеньев, а макромолекулы приобретают способность изгибаться, распрямляться, т.е. вытягиваться под нагрузкой.

Такое состояние может быть у термопластов и редкосетчатых реактопластов.

В вязкотекучем состоянии взаимную подвижность получают целые макромолекулы. Они смещаются друг относительно друга не одновременно, а постепенно, поэтому полимер переходит не в жидкое, а в вязкотекучее состояние.

Такое состояние возможно только для термопластов. Для реактопластов оно невозможно, из–за наличия ковалентных связей между макромолекулами, препятствующих их относительному перемещению.

43.Реакции образования полимеров.

Процесс, при котором происходит многократное соединение мономеров одного состава, называется полимеризацией(так получают полиэтилен). Реакция соединения мономеров неодинакового состава называется сополимеризацией. Примером сополимеризации может служить образование винипласта – поливинилхлорида .

При полимеризации (сополимеризации) состав мономера (мономеров) и получающегося полимера одинаков, молекулы мономеров соединяются без образования побочных продуктов.

Поликонденсация – это реакция между химически активными группами разного состава, приводящая к образованию нового вещества, состав которого отличается от исходных мономеров. Активные группы образуются в результате отделения какого–либо атома или иона от исходной молекулы мономера. При прохождении этой реакции из отделившихся от мономеров атомов или ионов образуются побочные низкомолекулярные продуктов, затрудняющие синтез. Поэтому их необходимо удалять из системы в процессе синтеза. Принципиально схема поликонденсации выглядит следующим образом: , где XY – побочный низкомолекулярный продукт.

Реакцией поликонденсации образуется нейлон. Исходные мономеры – адипиновая кислота и гексаметилендиамин, низкомолекулярный побочный продукт – вода.

Ступенчатая полимеризация. Активные группы образуются за счет перемещения атома или группы атомов (наиболее часто атома водорода) от одной молекулы мономера к другой. В результате этого образуются активные группы, которые на следующей стадии объединяются, образуя полимер. Побочных продуктов при этом не образуется и, таким образом, состав полимера соответствует составу исходных мономеров. Таким образом получают термореактивный эпоксид.

Получение термопластов возможно реализацией всех рассмотренных реакций, реактопластов – поликонденсацией или ступенчатой полимеризацией.


44.Свойства полимеров.

Механические свойстваполимеровзависят от температуры. Термомеханические свойства описываются термомеханическими кривыми (ТМК). ТМК строятся в координатах «температура (t) – относительная деформация ()» для полимеров, к которым приложено невысокое, значительно меньшего предела упругости, постоянное напряжение.

ТМК аморфных линейных полимеров (рис.15.2,а.) имеет три явно выраженных участка. В области 1, ниже температуры стеклования (Т_с), материал находится в твердом, стеклообразном состоянии, Это область упругих деформаций малой величины, вызванных растягиванием ковалентных связей между мономерами. Температура стеклования обычно является верхней рабочей температурой линейных полимеров.

Выше температуры стеклования полимер находится в высокоэластичном состоянии (область 2), что определяет большие величины деформаций при том же уровне напряжений.

При нагреве выше температуры текучести (Т_т) деформация растет при постоянном напряжении за счет относительного перемещения макромолекул. В интервале температур текучести и деструкции производят формообразующие операции.

Густосетчатые полимеры (рис.15.2,б. кривая 1) не имеют ни области 2, ни области 3, т.к. могут находиться только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатые могут находиться в высокоэластичном состоянии (кривая 2 на рис.15.2,б).

При достижении температуры деструкции все полимеры начинают разлагаться. Вследствие высокой молекулярной массы полимеры не способны переходить в газообразное состояние, раньше происходит их разрушение.

Прочность и механизм разрушения полимеров зависят от состояния, в котором они находятся. Ниже Т_с полимеры разрушаются хрупко. При такой температуре энергия теплового движения мономеров ничтожна, при приложении нагрузки возникает только упругая деформация (=25%). Разрушение наступает, когда действующее напряжение превышает прочность ковалентных связей.

В высокоэластичной области (между температурами Т_с и Т_т) деформации могут достигать 1000% за счет распрямления свернутых макромолекул, их вытягивания в направлении приложения нагрузки, т.е. ориентирования. При снятии нагрузки образец, не доведенный до разрушения, восстанавливает свои первоначальные размеры. Разрушение наступает в том случае, когда напряжения превосходят прочность ковалентных связей.

Густосетчатые полимеры практически не способны к высокоэластичной деформации, они разрушаются хрупко.

Прочность полимеров с линейной и разветвленной структурой может быть повышена за счет ориентационного упрочнения. Процесс ориентирования макромолекул осуществляется путем медленного растяжения полимеров, находящихся в высокоэластичном или вязкотекучем состоянии, в результате чего достигается упорядоченная структура. После этого производится охлаждение, при температуре ниже t_c полученная структура фиксируется. Полученная структура анизотропна. Прочность при разрыве в направлении ориентирования повышается в 25 раз, а в перпендикулярном направлении снижается на 3050% по сравнению с исходной. Модуль упругости в направлении ориентации повышается до 2 раз. Ориентация может быть одноосной или двухосной (для пленок).

Эффект ориентационного упрочнения полимеров используется в производстве высокопрочных волокон.

Ориентационное упрочнение не возникает при низких температурах, а также при высоких скоростях деформации, в этих условиях происходит хрупкое разрушение.

Нагрев выше температуры стеклования вызывает дезориентацию структуры и разупрочнение.

Релаксационные свойства полимеров. Под действием приложенных напряжений распрямление и раскручивание молекулярных цепей в высокоэластичном состоянии, а также перемещение макромолекул в вязкотекучем состоянии требует определенного времени. Достижение равновесного состояния поэтому достигается не сразу в момент приложения нагрузки, а через некоторое время, необходимое для завершения релаксационных процессов. Это означает, что при постоянной нагрузке происходит изменение размеров, т.е. наблюдается процесс ползучести (ползучесть характерна и для металлов, но лишь при высоких температурах – выше температуры рекристаллизации).

В момент приложения нагрузки (t_н) мгновенно возникает упругая деформация (_упр.). Высокоэластичная деформация (_вэ), соответствующая процессу изменения конфигурации макромолекул, развивается постепенно. Через определенное время (t=t_р) у редкосетчатого реактопласта достигается равновесное состояние, изменение размеров прекращается (рис.15.3,а). После снятия напряжения упругая деформация исчезает мгновенно, а высокоэластичная постепенно. Через определенное время размеры полимера возвращаются к исходным.

У линейного полимера помимо упругой и высокоэластичной развивается также пластическая деформация вязкого течения (_пл), которая является необратимой (рис.15.3,б). Поэтому в таком полимере, во–первых, процесс текучести протекает в течение всего времени приложения напряжения за счет вязкого течения и, во–вторых, после снятия нагрузки полимер не восстанавливает своих первоначальных размеров. Остаточная деформация равна деформации вязкого течения.

Релаксационные процессы развиваются только в редкосетчатых реактопластах и термопластах, т.к. густосетчатые реактопласты не могут находиться ни в высокоэластичном, ни в вязкотекучем состоянии.

Длительность релаксационных процессов зависит от температуры. При температурах ниже Т_с они протекают медленно, от 10⁵10⁷с до нескольких лет, а в интервале Т_с – Т_т время сокращается до 10–⁴10⁴с. Таким образом, релаксационные процессы в полимерах протекают всегда, но их вклад в кинетику деформации зависит от условий эксплуатации.

Старение полимеров. Полимеры подвержены старению, т.е. самопроизвольному и необратимому изменению свойств в результате разрушения связей в цепях макромолекул.

При старении в полимерах протекают сложные цепные реакции с образованием свободных радикалов или ионов, вызывающие либо деструкцию (размягчение, выделение летучих веществ), либо структурирование (повышение твердости, хрупкости, потеря эластичности). Процессы старения развиваются в результате воздействия кислорода, озона, света, температуры. Наиболее типично – под воздействием кислорода воздуха. Старение ускоряется под воздействием напряжений.

Для замедления процессов старения в полимеры добавляют стабилизаторы (различные органические или неорганические вещества). Так, например, введение в состав полиэтилена 23% сажи замедляет процессы старения примерно в 30 раз, при этом срок службы повышается до 5 и более лет.

45.Пластические массы. Состав пластических масс.+46.Пластические массы.

Классификация пластических масс.

Пластические массы (пластмассы) это искусственные материалы, основой которых – связующим являются полимеры. В зависимости от типа связующего пластмассы, также как и полимеры, делятся на две группы: термопластичные и термореактивные.

Формообразующие операции (прессование) выполняются, когда полимер находится в вязкотекучем состоянии. Для термореактивных пластмасс – до отвердения, т.е. на первой стадии их образования. Отвердение выполняется после получения необходимой формы.

Пластмассы могут быть одно– или многокомпонентными. Состав однокомпонентных представлен только полимером.

В состав многокомпонентных пластмасс помимо связующего могут входить наполнители, пластификаторы, отвердители и красители.

Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу специальные свойства. Это инертные к полимеру органические или неорганические вещества.

По виду наполнителя пластмассы делят на:

• 
  порошковые (наполнитель – древесная мука, графит, тальк и др.);
  
• 
  волокниты с наполнителем в виде волокна (очесы хлопка и льна), в том числе, стекло – и асбоволокниты;
  
• 
  слоистые с листовым наполнителем (бумага в гетинаксе, ткань хлопчатобумажная – текстолит, а также асбо– и стеклотекстолиты со стеклянной тканью и асбестом);
  
• 
  газонаполненные – пено– и поропласты (наполнитель воздух или нейтральные газы).
  

Пластификаторы повышают эластичность, а также морозо– и огнестойкость и облегчают прессование. В качестве пластификаторов используют олеиновую кислоту, стеарин.

Отвердители – оксиды некоторых металлов, уротропин способствуют отвердению термореактивных пластмасс.

Красители и пигменты придают пластмассам определенную окраску.

47.Свойста и области применения пластических масс.

Термопластичные пластмассы.

Основа термопластичных пластмасс– полимеры с линейной или разветвленной структурой. Температура эксплуатации наиболее распространенных термопластов не превышает 60–200°С, при более высоких температурах начинается резкое снижение свойств. При длительном нагружении вследствие релаксационных процессов происходит изменение размеров. Большей прочностью и жесткостью обладают полимеры с кристаллической структурой.

В промышленности нашли применение полиэтилен и полипропилен (упаковочные материалы), полистирол (детали радиотехники, трубопроводы), фторопласт (детали пар трения), ПВХ – поливинилхлорид (электроизоляционный материал) и др.

Термореактивные пластмассы.

Связующее вещество в этих пластмассах – термореактивные полимеры. Используются фенолформальдегидные, кремнийорганические, эпоксидные смолы. Теплостойкость этих полимеров – 200350°С.

Термореактивные пластмассы являются многокомпонентными, в их состав входят наполнители, а также могут быть введены пластификаторы и красители.

Пластмассы с порошковым наполнителем. В качестве наполнителя используют органические и минеральные вещества. Эти пластмассы водостойки, обладают химической стойкостью, повышенными электроизоляционными свойствами, их механические свойства невысоки. Основное применение – не нагруженные детали, в основном электроизоляционного назначения.

Пластмассы с волокнистым наполнителем. К ним относят волокниты, асбо– и стекловолокниты. Механические свойства этих пластмасс анизотропны, в направлении волокна они значительно выше, чем у материалов предыдущей группы.

Наполнитель волокнитов – хлопковая целлюлоза. Их применяют для изготовления деталей технического назначения – направляющие втулки, фланцы и т.д.

Преимущество асбоволокнитов (наполнитель – асбест) – повышенная теплостойкость. Асбест обладает высокими фрикционными свойствами, что наряду с высокой теплостойкостью, определяет применение асбоволокнитов для изготовления деталей тормозных устройств.

Стекловолокниты обладают высокой удельной прочностью, хорошо сопротивляются вибрационным и знакопеременным нагрузкам.

Слоистые пластмассы состоят из связующего и листового наполнителя, что определяет их слоистую структуру и анизотропию свойств.

Гетинакс (наполнитель – разные сорта бумаги) можно применять до 120140°С, обладает устойчивостью к воздействию растворителей, его применяют как материал для внутренней отделки транспортных средств: железнодорожных вагонов, кают и т.д.

Текстолит (наполнитель хлопчатобумажные ткани) обладает хорошими виброгасящими и антифрикционными свойствами. В зависимости от назначения текстолиты делят на конструкционные (_в,=80100МПа), электротехнические, прокладочные. Детали из текстолита достаточно широко применяются в машиностроении – это подшипники скольжения, корпусные детали и др. Температура эксплуатации текстолита от –60 до 60–80⁰.

Асботекстолит содержит около 40% связующего, остальное асбестовая ткань. Это конструкционный материал (_в=55МПа), его применение определяется высокими фрикционными и теплоизолирующими свойствами. Возможна эксплуатация при 250500°С.

Наполнителем стеклотекстолитов является стеклоткань. Они обладают высокой удельной прочностью, теплостойкостью до 200°С, электроизоляционными свойствами. Их используют в самолето– и судостроении, радио– и электротехнике.


Газонаполненные пластмассы.

Структура таких пластмасс двухфазна. Связующая фаза это полимер (термопластичный или термореактивный), который образует стенки ячеек или пор, в которых располагается вторая – газовая фаза, являющаяся наполнителем. Такая структура определяет низкую плотность пластмасс, а также их высокие тепло– и звукоизоляционные свойства.

Пенопласты – материалы с замкнутой пористой структурой. Газообразный наполнитель, находящийся в ячейках, изолирован от атмосферы. Такая структура обеспечивает высокие теплоизоляционные свойства.

Пенопласты применяются в качестве теплоизоляционного материала (холодильники, рефрижераторы, при прокладке труб и т.п.).

Поропласты – губчатые материалы, с открыто пористой структурой. Поропласты выпускают эластичными. Они предназначены для поглощения жидкостей. Так, водопоглощение поропласта марки ТПВФ составляет 400700% за 2 часа.