Материаловедение Конспект лекций. Конспект лекций для студентов 2 курса бакалавриата направления 221700 Стандартизация и метрология
 Скачать 1.64 Mb.
|
|
7.2. Чугуны Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое определение. На прак- тике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5 %. В качестве примесей чугун содержит Si, Мn, S и Р. Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой фор- ме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fе-Fе 3 С. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму. В высоко- прочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком – хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в се- ром, высокопрочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8 %. Белый чугун обладает высокой твёрдостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не ис- пользуется и применяется как предельный чугун, т.е. идёт на произ- водство стали. Для деталей с высокой износостойкостью использует- ся чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса ме- талла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьём, так как чугуны имеют очень хорошие 54 литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят ко- лебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают проч- ность. Таким образом, структура машиностроительных чугунов состо- ит из металлической основы и графитных включений. По металличе- ской основе они классифицируются на ферритный чугун (весь угле- род содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлитный (содержит 0,8 % углерода в виде цементита). Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твёр- дость выше у перлитных, а пластичность – у ферритных. Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого чугуна схематически изображена на рисунке 25а. Получают серый чугун путём первичной кристаллизации из жидкого сплава. Рис. 25. Схематическое изображение структур чугунов: а – серого; б – высокопрочного; в – ковкого На графитизацию (процесс выделения графита) влияют ско- рость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаж- дении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способ- ствуют графитизации углерод и кремний. Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5 %. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме то- го, сера ухудшает механические и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства. а) б) в) 55 Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической осно- вой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими металли- ческую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низ- кие характеристики как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графит- ных включений способствует кремний. Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показываю- щим предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Так, чугун СЧ 35 имеет σ в =350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, ..., СЧ 45. Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включе- ния. Структура высокопрочного чугуна изображена на рисунке 23б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун неболь- шого количества щелочных или щелочноземельных металлов, кото- рые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется уве- личением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого. Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ос- лабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чу- гун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость ре- занием, способность гасить вибрации и т.д. Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, по- казывающими предел прочности и десятых долях мегапаскаля. На- пример, чугун ВЧ 60 имеет σ в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для из- готовления ответственных деталей – зубчатых колёс, валов и др. Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 23в). Его получают из белого чугуна путём графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950…970 °С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20 %) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. 56 Если в области эвтектоидного превращения (720…760 °С) про- водить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то по- лучится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого со- стоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10 %). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравни- тельно много графита. Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, пока- зывающими предел прочности и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σ в = 450 МПа и δ= 7 %. Ферритные ковкие чугу- ны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а пер- литные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) – более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Лекция 8. Неметаллические материалы Современную машину или прибор невозможно создать, приме- няя только металлические материалы. Ряд неметаллических материа- лов, полученных современной промышленностью обладают значи- тельно более высокими физическими и химическими свойствами. В то же время, такие уникальные свойства этих материалов как элек- трические изолирующие свойства, эластичность, прозрачность дела- ют эти материалы просто незаменимыми. Неметаллические материалы условно можно разделить на ис- кусственные и природные, органические и минеральные, однородные и композиционные. Неметаллические материалы различают по основным клас- сам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы 1 8.1. Пластические массы и другие неметаллические материалы Неметаллические материалы: синтетические смолы и пластмас- сы, синтетические каучуки, заменяющие натуральный каучук, высо- кокачественные полимеры с заданными техническими характеристи- ками, включая армированные и наполненные пластмассы. 1 Ситаллы – стеклокристаллические материалы, полученные объёмной кристаллиза- цией стёкол и состоящие из одной или нескольких кристаллических фаз, равномерно распределённых в стекловидной фазе. Ситаллы обладают малой плотностью (они легче алюминия), высокой механической прочностью, особенно на сжатие, твёрдостью, жа- ропрочностью, термической стойкостью, химической устойчивостью и другими цен- ными свойствами. Ситаллы имеют большинство положительных свойств, которые есть у стекла, в том числе и технологичность. 57 Пластические массы и другие неметаллические материалы об- ладают рядом превосходных физико-химических, механических и технологических свойств, что обусловило их широкое распростране- ние в различных отраслях промышленности – машиностроении, элек- тротехнике, электронике и др. Как конструкционный материал, пла- стические массы всё более вытесняют дорогостоящие металлы. При- менение пластических масс даёт возможность постоянно совершенст- вовать конструкции. Оснащение машин и оборудования, а также час- тичная комплектация различных узлов позволяют снизить их массу, улучшить надёжность и долговечность работы, повысить производи- тельность с наименьшими капитальными вложениями, чем для про- изводства цветных металлов. Исходными материалами для получения пластических масс служат дешёвые продукты переработки каменного угля, нефти и природного газа. Пластмассы подвергают армированию для улучшения механи- ческих свойств. Для изготовления различных деталей, работающих в механизмах трения (скольжения) с небольшими нагрузками и скоро- стями, применяются такие неметаллические материалы, как анти- фрикционные полимерные и пластмассовые материалы. Эти материа- лы обладают небольшим коэффициентом трения, высокой износо- стойкостью, химической стойкостью, могут работать без смазки. Од- нако низкая теплопроводность, значительный (в десятки раз больше, чем у металлов) коэффициент термического расширения, небольшая твёрдость и высокая податливость ограничивают возможности их широкого использования. Более эффективно они применяются в ком- бинации с другими материалами, металлами и пластмассами. Неме- таллические материалы широко применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства в целом. Наибольшее распространение в технике получили неметалличе- ские материалы на основе различных полимеров. Полимеры – это сложные высокомолекулярные соединения, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев. Эти составные звенья представляют собой небольшие моле- кулы и называются мономерами. В настоящее время трудно представить себе медицину без по- лимерных систем для переливания крови, медицинскую аппаратуру – без прозрачных полимерных трубок, предметы ухода за больными – без резиновых грелок, пузырей для льда и т.д. Значительно обогатить ассортимент материалов, применяемых в медицине, позволили синте- тические полимеры. 58 Свойства полимеров определяются: природой мономера, моле- кулярной массой полимера, структурой полимера (кристаллический полимер или аморфный полимер), температурой нагрева. Полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Стеклообразное состояние – это твёрдое, аморфное. Атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; при этом движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит. Иными словами, в стек- лообразном состоянии полимеры не обладают ни сегментальной, ни молекулярной подвижностью. К таким материалам относятся поли- меры с пространственной структурой (реактопласты). Высокоэластическое состояние характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках. В этом состоянии колеблются звенья и макромолекула приобретает способность изгибаться. В высокоэластическом состоянии полимеры похожи на жидко- сти с включёнными в них твёрдоподобными областями. Это состоя- ние характеризуется высокой вязкостью и претерпевает вязко-упру- гую деформацию. Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но от- личается от него очень большой вязкостью, поскольку подвижна вся молекула. Полимеры существенно отличаются от металлов и сплавов: их молекулы вытянуты в длинные цепочки, в результате чего полимеры имеют высокую молекулярную массу. Молекулы полимеров получа- ют из исходных низкомолекулярных продуктов – мономеров – поли- меризацией и поликонденсацией. К полимерам поликонденсационно- го типа относятся фенолформальдегидные смолы, полиэфиры, поли- уретаны, эпоксидные смолы. К высокомолекулярным соединениям полимеризационного типа относятся поливинилхлорид, полиэтилен, полистирол, полипропилен. Высокополимерные и высокомолекуляр- ные соединения являются основой органической природы – живот- ных и растительных клеток, состоящих из белка. Для изготовления многих медицинских изделий широко приме- няют как полимерные материалы, в основе которых лежит природное сырьё, так и искусственные – синтетические и полимерные материа- лы. Из полимерных материалов естественного происхождения изго- товляют большинство перевязочных средств: вату, марлю и изделия 59 из них, алигнин, а также нити шовных материалов (хирургический шёлк). Полимеры являются основой пластмасс, используемых при из- готовлении различных инструментов, частей медицинской аппарату- ры и оборудования. Пластмассы: термопластичные, термореактивные, газона- полненные Пластмассы – пластические массы – это материалы, полученные на основе высокомолекулярного органического соединения – поли- мера, выполняющего роль связующего и определяющего основные технические свойства материала. Пластмассы – это органические вещества на основе полиме- ров. Они состоят из следующих компонентов. 1. Связующее. Связующее вещество является обязательным компонентом пластмассы, выполняющее функции основной матрицы. В качестве связующих для большинства пластмасс используют син- тетические смолы (полимеры), реже применяют эфиры целлюлозы. 2. Наполнители. Это порошкообразные, волокнистые и другие низкомолекулярные вещества. Наполнители повышают механические свойства (твёрдость H B , σ В , σ Т ), снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства. Наполнители подразделяются: − на порошковые (сажа, графит, древесная мука); − волокниты (волокна, стекловолокна, асбоволокна); − слоистые (бумага, ткань, стеклоткань); − газовые (газонаполненные: поропласты, пенопласты, сотопла- сты); Функции наполнителей выполняют также пластификаторы, от- вердители, красители, стабилизаторы. 3. Пластификаторы – жидкие вещества, добавляемые для по- вышения эластичности материала; 4. Отвердители – вещества, приводящие к быстрому отвержде- нию двухкомпонентной эпоксидной пластмассы; 5. Красители (обычно оксиды металлов), их вводят для измене- ния цвета пластмасс. Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах. Различают следующие разновидности пластмасс: − термопластичные; − термореактивные и газонаполненные. 60 К термореактивным пластмассам относятся: жёсткие пенопо- лиуретаны, аминопласты и др. К газонаполненным пластмассам отно- сятся пенополиуретаны – газонаполненный сверхлёгкий конструкци- онный материал. Термопластичная пластмасса – полиэтилен низкого давления – продукт полимеризации этилена. Аминопласты – термореактивные пластмассы – прессовочные карбамидо- и меламиноформальдегидные массы, получаемые на ос- нове аминосмол с использованием наполнителей (органических, ми- неральных или их сочетания), окрашивающих и модифицирующих веществ. Пенополиуретаны – газонаполненные пластмассы – сверхлёгкий конструкционный материал. Свойства, состав и классификация пластмасс. Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на ос- нове природных или синтетических полимеров. Пластмассы являются важнейшими современными конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см³), вы- сокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звуко- изоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к ис- тиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологиче- ские свойства: легко формуются, прессуются, обрабатываются реза- нием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс яв- ляются низкая теплостойкость, низкая ударная вязкость, склонность к старению для ряда пластмасс. Основой пластмасс являются полимерные связующие вещества. Кроме связующих в состав пластмасс входят: наполнители для по- вышения прочности и придания специальных свойств; пластификато- ры для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении изделий из пластмасс; отвердители, ускоряющие переход пластмасс в неплавкое, твёрдое и нерастворимое состояние; стабилизаторы, пре- дотвращающие или замедляющие процесс старения; красители. По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопла- стичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем ещё до охлаж- дения затвердевают (вследствие протекания химических реакций) и при повторном нагревании остаются твёрдыми. 61 По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волокнистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполни- теля. По способу переработки в изделия пластмассы подразделяются на литьевые и прессовочные. Литьевые перерабатываются в изделия методами литьевого прессования и являются термопластичными. Прессовочные перерабатываются в изделия методами горячего прес- сования и являются термореактивными. По назначению пластмассы делятся на конструкционные, хими- чески стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и ан- тифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизо- ляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и от- делочные. Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпуска- ются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали. Текстолит – это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хо- рошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизо- ляционными свойствами. Теплостоек до 80 °С. Стеклотекстолит отличается от текстолита тем, что в качестве наполнителя используется стеклоткань. Более прочен и теплостоек, чем текстолит, имеет лучшие электроизоляционные свойства. В асбо- текстолите наполнителем является асбестовая ткань. Кроме электро- изоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикцион- ные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессова- нием нескольких слоёв бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120–140 °С. Волокнистые пластмассы представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на во- локниты, асбоволокниты и стекловолокниты. В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое волокно. Они используются для относительно крупных деталей об- щетехнического назначения с повышенной стойкостью к ударным на- грузкам. 62 Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стек- ловолокно или стеклонити. Прочность, электроизоляционные свойст- ва и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокнитов. При- меняются для изготовления деталей, обладающих повышенной проч- ностью. Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюло- за) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостыо, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с орга- ническими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения – корпусов приборов, рукояток, кно- пок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляци- онные свойства. Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми наполнителями имеют чаше всего термореактивные связующие, хотя имеются пластмассы с термопластичными связую- щими. Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термопла- стичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них. Полиэтилен (-СН 2 -СН 2 -) n – продукт полимеризации бесцветного газа – этилена. Один из самых лёгких материалов (плотность 0,92 г/см³), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозо- стоек. Недостатки – склонность к старению и невысокая теплостой- кость (до 60 °С). Используется для изготовления плёнки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимает первое место в общем объёме производства пласт- масс. Органическое стекло – прозрачный термопластичный материал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптической прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стёкол, обладает химиче- ской стойкостью. Недостатки – низкая твёрдость и низкая теплостой- кость. Используется для остекления в автомобиле- и самолётострое- нии, для прозрачных деталей в приборостроении. Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стойкость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-СF 2 - СF 2 ) n водостоек, не горит, не растворяется в обычных растворителях, обладает электроизоляционными и антифрикционными свойствами. Применяется для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах при высокой температуре, электроизоляции и др. 63 Фторопласт-3 (-СF 2 -СFС 1 -) n по свойствам и применению анало- гичен фторопласту-4, уступая ему по термохимической стойкости и превосходя по прочности и твёрдости. Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с дру- гом и образуют замкнутые объёмы. Они отличаются малой плотно- стью (0,02…0,2 г/см 3 ), высокими тепло-, звуко- и электроизоляцион- ными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов – низкая прочность и низкая теплостойкость (до 60 °С). Используются для те- плоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых плаву- чих средств, в качестве лёгкого заполнителя различных конструкций. Мягкие виды пенопластов используются для изготовления мебели, амортизаторов и т.п. Поропласты – это газонаполненные пластмассы, поры которых сообщаются между собой. Их плотность составляет 0,02…0,5 г/см 3 Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением. |