Конспект лекций по дисциплине технология конструкционных материалов раздел материаловедение

• Название: Конспект лекций по дисциплине технология конструкционных материалов раздел материаловедение
• Дата: 26.11.2021
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: Konspekt_lektsiy__materialovedenie.doc
• Тип: Конспект; #282890
• страница: 6 из 7

6.3. Сплавы других цветных металлов
Магний и его сплавы. Магний — самый легкий металл, использу­емый в промышленности (плотность — 1,74 г/см³). Имеет гексагональ­ную плотноупакованную решетку и полиморфных превращений не пре­терпевает. Температура плавления магния — 651°С. Недостатками магния являются низкая прочность и пластичность, низкая коррозионная стой­кость, способность к возгоранию при нагреве. Поэтому чистый магний в качестве конструкционного материала не используется.

Свойства магния значительно улучшаются при сплавлении его с другими элементами, основные из которых — алюминий, марганец и цинк. Магниевые сплавы делятся на литейные и деформируемые.

Литейные сплавы маркируются буквами МЛ, а деформируемые — МА. За буквами следует условный номер сплава. Магниевые сплавы, как и алюминиевые способны к упрочняющей термообработке (закалке и старению), но эффект повышения прочности при этом невысок.

Основное преимущество сплавов магния — легкость. Поэтому они применяются в авиа- и ракетостроении. Сплавы магния хорошо свариваются и обрабатываются резанием, но имеют невысокую кор­розионную стойкость.

Титан и его сплавы. Титан — легкий (плотность 4,5 г/см³) и пластичный металл серебристо-белого цвета. Температура плавле­ния титана — 1665 °С. Он обладает низкой электропроводностью и теплопроводностью. Механические свойства титана: σ_в ≈ З00 МПа, δ = 60…70 %. Главное достоинство титана и его сплавов — высокая коррозионная стойкость. Она достигается за счет образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Недостатки титана — склон­ность к взаимодействию с газами при температурах выше 500…600°С, плохая обрабатываемость резанием, высокая стоимость.

Главная цель легирования титана — повышение механических свойств. Основными легирующими элементами являются алюми­ний, хром, молибден, ванадий, марганец. По технологическому признаку сплавы титана делятся на литейные и деформируемые. Маркируются титановые сплавы чаще всего буквами ВТ. Среди сплавов титана имеются обладающие высокой прочностью (ВТ6, ВТ14 с σ_в = 1000…1200 МПа), жаропрочностью до 500 °С (ВТЗ-1, ВТ8). Литейные сплавы титана (ВТ5Л, ВТ6Л) обладают хорошими литейными свойствами.

Используются титановые сплавы в химичес­кой промышленности благодаря высокой коррозионной стойкости, в ракетной и авиационной технике благодаря легкости и высокой удельной прочности.

Другие цветные металлы нашли меньшее применение в техни­ке. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, хром, тантал, нио­бий) и никель, а также их сплавы используются как жаропрочные. Сплавы легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца) используют­ся в подшипниках скольжения (эти сплавы называются баббиты) и в качестве припоев для пайки металлов. Кроме того, значительная часть цинка расходуется на нанесение покрытий на металлические изде­лия, олова — на лужение консервной жести, свинца — на изготов­ление оболочек электрических кабелей, производство свинцовых аккумуляторов, емкостей для хранения радиоактивных материалов.
7. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
7.1. Пластические массы

Свойства, состав и классификация пластмасс. Пластическими массами (пластмассами) называются материалы, получаемые на ос­нове природных или синтетических полимеров. Пластмассы являют­ся важнейшими современными конструкционными материалами. Они обладают рядом ценных свойств: малой плотностью (до 2 г/см³), высокой удельной прочностью, низкой теплопроводностью, хими­ческой стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, звукоизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают оптической прозрачностью, фрикционными и антифрикционными свойствами, стойкостью к истиранию и др. Кроме того, пластмассы имеют хорошие технологические свойства: легко формуются, прес­суются, обрабатываются резанием, их можно склеивать и сваривать. Недостатками пластмасс являются 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 повы­шения прочности и придания специальных свойств; пластификаторы для повышения пластичности, что необходимо при изготовлении из­делий из пластмасс; отвердители, ускоряющие переход пластмасс в неплавкое, твердое и нерастворимое состояние; стабилизаторы, пре­дотвращающие или замедляющие процесс старения; красители.

По поведению при нагреве все пластмассы делятся на термопластичные и термореактивные. Термопластичные при неоднократном нагревании и охлаждении каждый раз размягчаются и затвердевают. Термореактивные при нагревании размягчаются, затем еще до ох­лаждения затвердевают (вследствие протекания химических реак­ций) и при повторном нагревании остаются твердыми.

По виду наполнителя пластмассы делятся на порошковые, волок­нистые, слоистые, газонаполненные и пластмассы без наполнителя.

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 прессования и являются термореактивными.

По назначению пластмассы делятся на конструкционные, химически стойкие, прокладочные и уплотнительные, фрикционные и антифрикционные, теплоизоляционные и теплозащитные, электроизоляционные, оптически прозрачные, облицовочно-декоративные и отделочные.

Слоистые пластмассы получают прессованием (или намоткой) слоистых наполнителей, пропитанных смолой. Они обычно выпускаются в виде листов, плит, труб, из которых механической обработкой получают различные детали. Текстолит — это материал, полученный прессованием пакета кусков хлопчатобумажной ткани, пропитанной смолой. Обладает хорошей способностью поглощать вибрационные нагрузки, электроизоляционными 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 асботекстолите напол­нителем является асбестовая ткань. Кроме электроизоляционных, он имеет хорошие теплоизоляционные и фрикционные свойства. Гетинакс представляет собой материал, полученный прессованием нескольких слоев бумаги, пропитанной смолой. Он обладает электроизоляционными свойствами, устойчив к действию химикатов, может применяться при температуре до 120-140°С. Стекловолокнистый анизотропный матерная (СВАМ) получают прессованием листов стеклошпона, пропитанных смолой. Стеклошпон изготовля­ется из стеклянных нитей, которые склеиваются между собой сразу после изготовления. Листы стеклошпона располагаются в материале так, чтобы волокна соседних листов располагались под углом 90°. СВАМ обладает высокой прочностью, хорошими электроизоляци­онными свойствами, теплостоек до 200…400 °С.

Волокнистые пластмассы представляют собой композиции из волокнистого наполнителя, пропитанного смолой. Они делятся на волокниты, асбоволокниты и стекловолокниты.

В волокнитах в качестве наполнителя применяется хлопковое волокно. Они используются для относительно крупных деталей обще­технического назначения с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам. Асбоволокниты имеют наполнителем асбест — волокнистый минерал, расщепляющийся на тонкое волокно диаметром 0,5 мкм.

Обладают теплостойкостью до 200 °С, устойчивостью к ударным воздействиям, химической стойкостью, электроизоляционными и фрикционными свойствами. Стекловолокниты имеют в качестве наполнителя короткое стекловолокно или стеклонити. Прочность, электроизоляционные свойства и водостойкость стекловолокнитов выше, чем у волокиитов. Применяются для изготовления деталей, обладающих повышенной прочностью.

Порошковые пластмассы в качестве наполнителя используют органические порошки (древесная мука, порошкообразная целлюло­за) и минеральные порошки (молотый кварц, тальк, цемент, графит). Эти пластмассы обладают невысокой прочностью, низкой ударной вязкостыо, электроизоляционными свойствами. Пластмассы с органи­ческими наполнителями применяются для ненагруженных деталей общетехнического назначения — корпусов приборов, рукояток, кно­пок. Минеральные наполнители придают порошковым пластмассам химическую стойкость, водостойкость, повышенные электроизоляци­онные свойства.

Рассмотренные выше пластмассы со слоистыми, волокнистыми и порошковыми наполнителями имеют чаше всего термореактивные свя­зующие, хотя имеются пластмассы с термопластичными связующими.

Пластмассы без наполнителя чаще всего являются термоплас­тичными материалами. Рассмотрим наиболее важные из них.

Полиэтилен (-СН₂—СН₂-)_n — продукт полимеризации бесцветно­го газа — этилена. Один из самых легких материалов (плотность 0,92 г/см³), имеет высокую эластичность, химически стоек, морозостоек. Недостатки — склонность к старению и невысокая теплостойкость (до 60 °С). Используется для изготовления пленки, изоляции проводов, изготовления коррозионно-стойких труб, уплотнительных деталей. Занимает первое место в общем объеме производства пластмасс.

Полипропилен (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n — продукт полимеризации газа пропилена. По свойствам и применению аналогичен полиэтилену, но более теплостоек (до 150 °С) и менее морозостоек (до 10 °С).

Поливинилхлорид (-СН₂-СНС₁-)_n используется для производства винипласта и пластиката.

Винипласт представляет собой твердый листовой материал, полученный из поливинилхлорида без добавки пластификаторов. Обладает высокой прочностью, химической стой­костью, электроизоляционными свойствами. Пластикат получают при добавлении в поливинилхлорид пластификаторов, повышающих его пластичность и морозостойкость.

Полистирол (-СН₂-СНС₆Н₅-)_n — твердый, жесткий, прозрачный полимер. Имеет очень хорошие электроизоляционные свойства. Его недостатки — низкая теплостойкость, склонность к старению и рас­трескиванию. Используется в электротехнической промышленности.

Органическое стекло — прозрачный термопластичный матери­ал на основе полиакриловой смолы. Отличается высокой оптичес­кой прозрачностью, в 2 раза легче минеральных стекол, обладает химической стойкостью. Недостатки — низкая твердость и низкая теплостойкость. Используется для остекления в автомобиле- и само­летостроении, для прозрачных деталей в приборостроении.

Фторопласты имеют наибольшую термическую и химическую стой­кость из всех термопластичных полимеров. Фторопласт-4 (-СF₂-СF₂)_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.

Фторопласт-3 (-СF₂-СFС₁-)_n по свойствам и применению аналогичен фторопласту-4, уступая ему по термохимической стойкости и превосходя по проч­ности и твердости.

Газонаполненные пластмассы представляют собой материалы на основе синтетических смол, содержащие газовые включения. В пенопластах поры, заполненные газом, не соединяются друг с дру­гом и образуют замкнутые объемы. Они отличаются малой плотнос­тью (0,02…0,2 г/см3), высокими тепло-, звуко- и электроизоляцион­ными свойствами, водостойкостью. Недостатки пенопластов — низкая прочность и низкая теплостойкость (до 60°С). Используются для теплоизоляции и звукоизоляции, изготовления непотопляемых пла­вучих средств, в качестве легкого 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/см³. Они представляют собой мягкие эластичные материалы, обладающие водопоглощением.
7.2. Резиновые материалы
Резина представляет собой искусственный материал, получае­мый в результате специальной обработки резиновой смеси, основ­ным компонентом которой является каучук. Каучук — это полимер, отличительной особенностью которого является способность к очень большим обратимым деформациям при небольших нагрузках. Это свойство объясняется строением каучука. Его макромолекулы име­ют вытянутую извилистую форму. При нагрузке происходит выпрям­ление макромолекул, что и объясняет большие деформации. При разгрузке макромолекулы принимают исходную форму. Различают натуральный и синтетический каучук. Натуральный каучук добывают из некоторых видов тропических растений в незначительных количествах. Поэтому производство резины основано на применении синтетических каучуков. Сырьем для производства синтетичес­кою каучука служит спирт, на смену которому приходит нефтехи­мическое сырье.

Резину получают из каучука путем вулканизации, т. е. в процессе химического взаимодействия каучука с вулканизатором при высокой температуре, вулканизатором чаще всею является сера. В процессе вулканизации сера соединяет нитевидные молекулы каучука и образу­ется пространственная сетчатая структура. В зависимости от количества серы получается различная частота сетки. При введении 1…5 % серы образуется редкая сетка и резина получается мягкой. С увеличе­нием содержания серы сетка становится все более частой, а резина более твердой приблизительно при 30 % серы получается твердый материал, называемый эбонитом.

Кроме каучука и вулканизатора в состав резины входит ряд дру­гих веществ. Наполнители вводят в состав резины от 15 до 50 % к массе каучука. Активные наполнители (сажа, оксид цинка и др.) слу­жат для повышения механических свойств резин. Неактивные напол­нители (мел, тальк и др.) снижают стоимость резиновых изделий. Пластификаторы (парафин, вазелин, стеариновая кислота, мазут, ка­нифоль и др.) предназначены для облегчения переработки резиновой смеси, повышения эластичности и морозостойкости резины. Противостарители служат для замедления процесса старения резины, при­водящего к ухудшению ее эксплуатационных свойств. Красители слу­жат для придания резине нужного цвета. В резину также добавляются регенераты — продукты переработки старых резиновых изделий и отходы резинового производства. Они снижают стоимость резин.

Основное свойство резины — очень высокая эластичность. Резина способна к большим деформациям, которые почти полностью об­ратимы. Кроме того, резина характеризуется высоким сопротивлени­ем разрыву и истиранию, газо- и водонепроницаемостью, химической стойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, небольшой плотностью, малой сжимаемостью, низкой теплопроводностью.

По назначению резины подразделяются на резины общего и спе­циального назначения. Из резин общего назначения изготовляются автомобильные шины, транспортерные ленты, ремни ременных пе­редач, изоляция кабелей, рукава и шланги, уплотнительные и амор­тизационные детали, обувь и др. Резины общего назначения могут использоваться в горячей воде, слабых растворах щелочей и кислот, а также на воздухе при температуре от -10 до +150 °С.

Резины специального назначения подразделяются на теплостой­кие, которые могут работать при температуре до 250…350 °С; моро­зостойкие, выдерживающие температуру до -70 °С; маслобензостойкие, работающие в среде бензина, других топлив, масел и нефтепродуктов; светоозоностойкие, не разрушающиеся при работе в атмосферных условиях в течении нескольких лет, стойкие к дей­ствию сильных окислителей; электроизоляционные, применяемые для изоляции проводов и кабелей; электропроводящие, способные про­водить электрический ток.
7.3. Неорганические материалы
Стеклом называется твердый аморфный термопластичный мате­риал, получаемый переохлаждением расплава различных оксидов. В состав стекла входит стеклообразующие кислотные оксиды (SiO₂, А₁₂О₃, В₂О₃ и др.), а также основные оксиды (К₂О, СаО, Na₂О и др.), придающие ему специальные свойства и окраску. Оксид кремния SiO₂ является основой практически всех стекол и входит в их состав в количестве 50 … 100 %. По назначению стекла подразделяются на строительные (оконные, витринные и др.), бытовые (стеклотара, посуда, зеркала и др.) и технические (оптические, свето- и элект­ротехнические, химико-лабораторные, приборные и др.).

Важными свойствами стекла являются оптические. Обычное стекло пропускает около 90 %, отражает — 8 % и поглощает — 1 % видимого света. Механические свойства стекла характеризуются высоким со­противлением сжатию и низким — растяжению.

Термостойкость стекла определяется разностью температур которую оно может выдержать без разрушения при резком охлаждении в воде. Для большинства сте­кол термостойкость колеблется от 90 до 170 °С, а для кварцевого стекла, состоящего из чистого SiO₂— 1000 °С. Основной недостаток стекла — высокая хрупкость.

Керамика — это неорганический минеральный материал, полу­чаемый из отформованного минерального сырья путем спекания при высоких температурах (1200…2500 °С). Структура керамики состоит из кристаллической, стекловидной (аморфной) и газовой фазы.

Криc­таллическая фаза является основой керамики, ее количество соc­тавляет до 100 %. Она представляет собой различные химические соединения и твердые растворы. Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла. Ее количество составляет до 40 %. Она снижает качество керамики. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики.

По назначению керамика может быть разделена на строитель­ную, бытовую и художественно-декоративную, техническую. Строи­тельная ( например, кирпич) и бытовая (например, посуда) чаще всего имеет в структуре газонаполненные поры и изготовляется из глины. Техническая керамика имеет почти однофазную кристалли­ческую структуру и изготовляется из чистых оксидов (реже карбидов, боридов или нитридов). Основные оксиды, используемые для произ­водства керамики — А₁₂О₃, ZnО₂, МgО, СаО, ВеО. Техническая ке­рамика используется в качестве огнеупорного, конструкционного и инструментального материала. Она обладает высокой прочностью при сжатии и низкой при растяжении. Главный недостаток керами­ки, как и стекла — высокая хрупкость.

Ситаллы представляют собой материалы, полученные путем кристаллизации стекол. Ситаллы изготовляют путем плавления сте­кольного материала с добавкой катализаторов кристаллизации. Да­лее расплав охлаждается до пластического состояния и из него формуются изделия. Кристаллизация обычно происходит при повторном нагревании изделий.

По структуре ситаллы занимают промежуточное место между стеклом и керамикой. Их структура состоит из зерен кристалличес­кой фазы, скрепленных стекловидной прослойкой. Содержание кри­сталлической фазы составляет 30…95 %. Пористость отсутствует. Си­таллы характеризуются исключительной мелкозернистостью. По внешнему виду могут быть прозрачными и непрозрачными.

Структура ситаллов определяет их свойства. Ситаллы имеют высокую твердость, высокую прочность при сжатии и низкую при растяжении, обладают жаропрочностью до 900…1200 °С, жаростой­костью, износостойкостью.

Они характеризуются высокой химичес­кой стойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами. Ситаллы отличаются хрупкостью, однако меньшей, чем стекло. При­меняются ситаллы для деталей, работающих при высоких темпера­турах и в агрессивных средах, деталей радиоэлектроники, инстру­ментов.