Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
12 Конструкційнін еметал евіматер іали Метароботи – вивчити деякі групи неметалевих конструкційних матеріалів, порівняти їх експлуатаційні властивості із властивостями металевих конструкційних матеріалів, навчитись обирати неметалеві матеріали для конкретних виробів. 12.1 Загальнівідомості Використання в машинобудуванні різноманітних неметалевих матеріалів (пластмас, кераміки, композиційних матеріалів на основі пластмас, гуми, неорганічного скла тощо) на протязі багатьох десятиліть засвідчили низку переваг зазначених матеріалів у порівнянні зі сплавами на основі заліза та кольорових металів: − малу густину (0,15...2,2) кг/дм 3 ; − високу хімічну стійкість; − особливі фізичні властивості (парамагнетизм, високий питомий електричний опір; особливі оптичні властивості); − високу технологічність; − низькі або високі значення коефіцієнтів тертя, високу зносостійкість; − малу вартість. Поєднання унікальних властивостей неметалевих матеріалів робить їх за певних умов незамінними конструкційними матеріалами. 12.1.1 Термопластичніпластмаси Пластична маса – це матеріал, що є композицією полімера чи олігомера із різними компонентами, які знаходяться при формуванні виробів у в’язкоплинному або високоеластичному стані, а при експлуатації – у склоподібному або кристалічному стані. Полімер – речовина, котра характеризується багаторазовим повторенням однієї або більше основних макромолекулярних ланок, поєднаних між собою у кількості, достатній для прояви комплекса властивостей, що залишаються практично незмінними при додаванні або вилученні однієї або декількох ланок. Олігомер– речовина, молекули котрої вміщують складові ланки, з’єднані одна із однією певним чином, комплекс властивостей котрої змінюється при додаванні або вилученні однієї або декількох складових ланок. До складу пластмас входять полімери (зв’язка), наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори, забарвники, уповільнювачі старіння , антистатики, антифрикційні домішки, прискорювачі твердіння тощо. У пластмасах, що розглядаються, використовують термопластичні полімери, котрі при багаторазовому нагріванні розм’якшуються, а при охолодженні твердіють без зміни властивостей внаслідок термоциклювання. Їх основа – полімери із лінійною або розгалуженою структурою. Для більшості термопластмас робоча температура не перевищує С. При довготривалому статичному навантаженні спостерігається еластична деформація. Границя міцності при розтягу знаходиться в межах 10...100 МПа, модуль нормальної пружності (1,8...3,5) ⋅ 10 МПа. В табл. 12.1 наведено дані про механічні властивості та максимальні температури експлуатації основних термопластів. Для виготовлення виробів найчастіше використовується лиття під тиском. Температура розтопу, температура пресформи, тиск та тривалість витримки під тиском визначають якість виробів. Завищена температура розтопу може привести до деструкції полімеру. Тому, наприклад, для полістиролу рекомендують наступні режими лиття: температура розтопу С, тиск 6...10 МПа, температура пресформи С. Для зниження внутрішніх напружень, підвищення однорідності структури відлиті деталі термічно обробляють. Так, наприклад, поліетилен нагрівають у воді до С, витримують 1,5...2 хв на мм товщини і охолоджують на повітрі. 129 Таблиця 12.1 – Механічні властивості та максимальні температури експлуатації термопластів Термопласт Границ я м іц но сті , М П а, В ід но сне видов жен н я, % Ударна в’язкість, кДж/м 2 М ак сим темп ер ату раек сп л у ат ., ° С (б ез н ав ан та ж Густина, кг/дм 3 Поліетилен ПЕВТ 10...18 300...600 Не руйнується 75 0,92...0,93 Поліетилен ПЕНТ 18...32 250...100 0 “ ” ” 80 0,95 Поліпропілен 26...38 700...800 30...70 100 0,90 Полістирол 40...50 3...4 10...20 70 1,05...1,08 Капрон 75...85 50...130 3...10 100 Фторопласт 20...40 250...300 100 250 1,90...2,20 Органічне скло 80 5...6 2...10 90 1,18 Полівінілхлорид ( жорсткий) 50...65 20...50 2...4 85 1,10 Полівінілхлорид (пластифікований) 10...40 50...350 Не руйнується 55 1,05 Призначення термопластів: − поліетилен – для виготовлення контейнерів, ємностей, деталей хімічного обладнання, плівок тощо; − поліпропілен – труби, деталі насосів, конструкційні деталі автомобілів; − полістирол – ручки, корпуси та інші деталі приладів, ємності дя хімічних речовин; капрон – шківи, болти, втулки, шестерні, гайки, вальниці; фторопласт – труби, вальниці, втулки, елементи ущільнень, шестерні; − органічне скло – кришки, резервуари, деталі арматури, трубки − полівінілхлорид – труби, оболонки для електричних кабелів та дротів, деталі вентиляційних установок, покриття хімічного обладнання. 130 12.1.2 Термореактивніпластмаси (реактопласти) Полімери, котрі при нагріванні набувають просторову структуру, незворотньо втрачають здатність розм’якшуватися при повторному нагріванні та розчинятися, називають термореактивними. Ці полімери використовують у термостабільному стані після отвердіння, що створює сітчасту структуру із високою щільністю поперечних зв’язків. Переваги реактопластів порівняно із термопластами: підвищена надійність; стабільність механічних властивостей та відносно мала їх залежність від температури, швидкості деформування та тривалості дії навантаження; більш високий рівень допустимих напружень (15…40 МПа висока питома жорсткість (Е) та питома міцність (В. За останніми показниками деякі реактопласти мають перевагу над сталями, сплавами на основі міді та алюмінію. В той же час при розтягуванні реактопласти руйнуються без пластичної деформації і утворення шийки, характеризуються низькою ударною в’язкістю. До найважливіших термореактивних полімерів відносяться фенолформальдегідні, епоксидні, поліефірні та кремнійорганічні смоли. В залежності від наповнювача термореактивні пластмаси поділяють на порошкові, волокнисті та шаруваті. Їх властивості наведено в табл. 12.2. Пластмаси із порошковими наповнювачами використовують для виготовлення електроарматури, кнопок, ручок, контейнерів, кронштейнів, інструментального пристосування, ливарних моделей, витяжних та формовочних пристосувань. Волокнити використовують для виготовлення виробів, що працюють на згин та кручення: маховики, зубчасті колеса, шківи, фланці, втулки тощо. Листові наповнювачі у шаруватих пластмасах надають матеріалам анізотропність, їх використовують спочатку для виготовлення листів, плит, труб, стрижнів, а потім із напівфабрикатів виготовляють деталі вальниць ковзання, зубчасті колеса, шківи, втулки, деталі автомобілів, корпусні деталі, гальмівні колодки, фрикційні диски, лопатки насосів тощо. 131 Таблиця 12.2 – Фізико-механічні властивості термореактивних пластмас Пластмаса Густина, кг/дм 3 М ак сим темп ер ату рад о в го три вал о ї ек сп л у ат ., ° С Г р ан и ц ям іц но ст і, М Па В ід но сне видов жен н я, Удар на в ’я зк іс ть , к Д ж /м 2 М о дул ь нормаль но ї пру ж но ст і, МПа Тверд іс ть , М Па Порошкова 1,40...1,45 100...110 30 0,3...0,7 4...6 6300... 8030 300... 400 Волокниста - волокнит 1,35...1,45 110 30...60 1...3 9...10,4 8500 250... 270 - асбоволокнит 1,95 200 40 1...3 20 18000 300 - скловолокнит 1,70...1,90 280 80...500 1...3 25...150 - - Шарувата: - гетинакс 1,30...1,40 150 80...100 1...3 12...25 10000 - текстоліт 1,40 115 65...100 1...3 30 5000... 10000 - - деревно- шарувата плита 1,35 140...200 180…30 0 - 80...90 18000...30000 - 1 3 1 132 12.1.3 Конструкційнакераміка Кераміка, що призначена для виготовлення механічно навантажених деталей, називається конструкційною. Її переваги проявляються при підвищених температурах, спрацюванні тау хімічно активних робочих середовищах. До конструкційної кераміки відносять оксидну та безкисневу кераміку. Оксидну кераміку на основі чистих оксидів алюмінію, цирконію, берилію, магнію, кальцію, церію, кремнію одержують у процесі високотемпературного випалювання (С. Властивості такої кераміки наведено в табл. 12.3. Таблиця 12.3 – Властивості оксидної кераміки Границя міцності при стисканні) Модуль нормальної пружності Оксид Г у с ти на, к г/ д м 3 Те м п ера тура плавлен н я, С, С CT B σσσσ , МПа t, СЕ, ГПа Al 2 O 3 3,99 2050 20 1500 3000 50 20 1200 390 350 ZrO 2 5,6 2700 20 1500 2100 20 20 1350 172 96 BeO 3,0 2570 20 1500 800 50 20 1200 310 70 MgO 3,58 2680 20 1500 1400 1150 25 1300 300 220 Безкиснева кераміка (карбіди, бориди, нітриди та силіциди металів) відрізняється від оксидної більшою вогнетривкістю, твердістю та зносостійкістю, але опір окисленню при температурах вище 1000 С недостатній. Тому її властивості найбільшою мірою реалізуються у вакуумі, нейтральній або відновлювальній атмосфері. Виняток складають SiC, SiN 4 , на поверхні яких утворюється оксид SiO 2 , котрий захищає вироб від подальшого оксидного руйнування. При експлуатації у вакуумі спостерігається сублімація, яка зростає в наступній послідовності: карбіди → бориди → силіциди → нітриди. Порівняно із металами та сплавами безкиснева кераміка меншою мірою знеміцнюється при 133 високих температурах. Безкиснева кераміка із кремнієм характеризується високою окалиностійкістю до С. Властивості основних безкисневих керамічних матеріалів наведено в табл. 12.4. Конструкційна кераміка використовується для виготовлення деталей газотурбінних двигунів та двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ), що дозволяє на 30...40% збільшити ККД внаслідок підвищення робочих температур, виключення системи охолодження, зниження втрат на тертя та зношення. Так, наприклад, в газотурбінних двигунах камери згорання, робочі лопатки, сопловий апарат виготовляють із SiC, статорні лопатки, теплообмінники виготовляють із Si 3 N 4 . Для виготовлення деталей ДВЗ використовують: Si 3 N 4 (гільзи циліндрів, сідла клапанів, ротори турбонаддуву); ZrO 2 (поршні); Al 2 O 3 , ZrO 2 (кулачки, насадки та штовхачі). Обшивання топок енергетичних установок здійснюють карбідом кремнію SiC, у верстатах вальниці ковзання та кочення виготовляють із Si 3 N 4 та ZrO 2 Таблиця 12.4 – Властивості безкисневих керамічних матеріалів Границя міцності при стисканні) Модуль нормальної пружності Кераміка Г у с ти на, к г/ д м 3 Те м п ера тура плавлен н я, С, С CT B σσσσ , МПа t, СЕ, ГПа SiC 3,2 2600 20 2250 20 394 BN 2,34 2350 20 500...600 25 1,16 Si 3 N 4 3,19 1820 - - 20 317 MoSi 2 6,24 2030 50 1500 1100 50 20 430 12.2 Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Описати склад, властивості і призначення пластмас та конструкційних керамік. 12.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленості до лабораторноїроботи 12.3.1. Що таке пластмаса і які компоненти входять до складу пластмас ? 12.3.2. Призначення компонентів пластмас. 134 12.3.3. Термопластичні пластмаси: полімери для цих пластмас і їх характеристики. 12.3.4. Термопластичні пластмаси, їх властивості та призначення. 12.3.5. Термореактивні полімери, основні види і властивості. 12.3.6. Властивості та призначення термореактивних пластмас. 12.3.7. Види, властивості та призначення оксидної кераміки. 12.3.8. Види, властивості та призначення безкисневої кераміки. 12.3.9. Особливості складу і властивостей неметалевих конструкційних матеріалів порівняно із металами та сплавами. 12.4 Матеріали, інструменти, приладитаобладнання Для виконання лабораторної роботи надається набір зразків із різних неметалевих матеріалів, машина для випробування на розтяг, термічна піч, твердомір, термометр, мікрометр, штангенциркуль. 12.5 Вказівкиізтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 12.6 Порядокпроведеннялабораторноїроботи 12.6.1. Ознайомитись із зразками, виготовленими із термопластичних, термореактивних та керамічних конструкційних матеріалів. 12.6.2. Визначити початкові розрахункові розміри зразків і позначити l 0 12.6.3. Провести випробування наданих зразків на розтяг при різних температурах. 12.6.4. Визначити границі міцності та відносне видовження і твердість. 12.6.5. Розрахувати значення питомої міцності з використанням також даних таблиць 12.1...12.4. 12.7 Змістзвіту Коротка характеристика термопластів, реактопластів та конструкційної кераміки, опис властивостей, складу, призначення. Графіки залежності границі міцності та відносного видовження від температури випробування пластмас. Гістограми питомої міцності пластмас, кераміки, вуглецевих та легованих сталей. Висновки за отриманими даними. 12.8 Рекомендованалітература [ 2 ] , с. 335-347; [ 5 ] , с. 434-474, 514-520; [ 6 ] , с. 223-231. 135 ЛІТЕРАТУРА 1. Бялік ОМ. Металознавство: підручник / ОМ. Бялік, В.С. Черненко, В.М. Писаренко, ЮН. Москаленко. – К ІВЦ «Потітехніка», 2001. – 375 с. 2. Матеріалознавство: [ підручник ] / С.С. Дяченко, І.В. Дощечкіна, АО. Мовлян, Е.І. Плешаков. – Харків:Видавництво ХНАДУ, 2007. – 440 с. 3. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. / Лахтин Ю.М.– М Металлургия, 1984. – 359 с. 4. Гуляев А.П. Металловедение / Гуляев А.П. – М Металлургия, 1986. – 360 с. 5. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение / Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – М Машиностроение, 1990. – 527 с. Материаловедение Под ред. В.Н. Арзамасова. – М Машиностроение, 1986. – 384 с. 7. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение методы анализа, лабораторные роботы и задачи / Ю. Геллер, А. Рахштад. – М Металлургия, 1983. – 382 с. 8. Натапов Б.С. Термическая обработка металлов [ учеб. пособие для вузов / Натапов Б.С. – Киев Вища школа, 1980. – 288 с. 136 ПРЕДМЕТНИЙПОКАЖЧИК А Азотування 94 Альфа – стабілізатор 105 Аналіз дилатометричний 9 електронномікроскопічний 10 макроскопічний 17 мікроскопічний 22 рентгеноспектральний 14 рентгеноструктурний 12 термічний 6 Анізотропія 34 Аустенітизація 67 Аустеніт 44 залишковий 69 переохолоджений 68 Аустенітостабілізатор 105 Б Бронза 131 Будова дендритна 20 сталевого зливка 21 В Віднова 35 Відпалення графітизувальне (графітизаційне) 62 рекристалізаційне 38 Відпочинок 35 Відпускання високотемпературне 87 низькотемпературне 85 середньотемпературне 86 137 Вуглець 44 Г Гартування 66 неповне 75 поверхневе 97 повне 74 Гратка аустеніту 44 мартенситу 71 фериту 44 цементиту 45 Графіт 45 кулястий (глобулярний) 51 пластівчатий 62 пластинчатий 59 Графітизатор 60 Густина дислокацій 33 Д Дендрит 20 Деформація гаряча 39 двійникування 31 ковзанням 33 пластична 30 пружна 30 тепла 30 холодна 39 Діаметр критичний 77 Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту 68 метастабільна залізо – цементит 45 стабільна залізо – графіт 59 структурна системи Fe – Cr – C 120 термокінетична 72 Шефлера 121 138 Дислокація 32 Дюралюмін (дуралюмін) 134 Ж Жароміцність 123 Жаростійкість (окалиностійкість) 122 З Загартовуваність 77 Залізо 45, 51 Зерно дрібнозернисте 21 рекристалізоване 36 рівновісне (поліедричне) 21 стовпчасте 20 Злам волокнистий (вязкий) 18 втомний 18 кристалічний (крихкий) 18 Зона Гіньє – Престона 134 рівновісних зерен 21 стовпчастих зерен 21 К Капрон 144 Карбідоутворювач 85, 103 Карбюризатори 92 Кераміка 146 Корозія 119 Крива охолодження 8, 49 Кристалізація вторинна 47 первинна 47 139 Л Латунь 128 Легувальні елементи 110 Легування 102 Ледебурит 45 Лінія евтектичного перетворення 47 евтектоїдного перетворення 48 обмеженої розчинності 48 М Макрошліф 19 Маркування сталей 106 Мартенсит відпущений 83 гартування 71 Металізація дифузійна 91 Мідь 128 Мікроскоп металографічний 26 Мікрошліф 22 Модифікатори 61, 137 Модифікування 61 Н Наклеп 34 Напрямок кристалографічний 32 О Обробка хіміко – термічна 90 термічна 66 Олігомер 143 Органічне скло 144 140 П Перетворення бейнітне 73 евтектичне 47 евтектоїдне 48 мартенситне 69 перлитне 68 поліморфне 48 при відпусканні 82 Перлит 45, 69, 84 Пластмаси термопластичні 142 термореактивні 145 Площини ковзання 32 Полігонізація 35 Полімер 143 Поліморфізм 43, 48 Поліпшення термічне 87 Поріг рекристалізації 38 Правило важеля і концентрацій 50 Прогартовуваність 77 Р Рекристалізація збиральна 37 первинна 36 С Силумін 136 Системи ковзання 32 Сорбіт 73, 84 Сплави алюмінієві 134 залізовуглецеві 43 141 мідні 128 титанові 137 Сталь автоматна 54 аустенітна 108 вальницева 111 високоякісна 54 доевтектоїдна 51 евтектоїдна 51 жароміцна 123 жаростійка 122 заевтектоїдна 51 зносостійка 111, 125 інструментальна 54, 112 кипляча 53 конструкційна звичайної якості 52, 110 напівспокійна 53 неіржавіюча 119 поліпшувальна 111 ресорно-пружинна 111 феритна 108 цементовна 110 швидкорізальна 113 штампова 114 якісна 53 Старіння зонне 135 природне 134 штучне 134 Структура волокниста 22 дендритна 20 дрібнозерниста 21 комірчаста 34 Ступінь деформації критичний 38 142 Т Текструра деформації 34 Температура рекристалізації 37 Троостит 69 Ф Ферит 44 Феритостабілізатор 105 Фторопласт 144 Ц Цементація 92 Цементит 45 вторинний 48 первинний 48 третинний 50 Ч Чавун білий 58 відбілений 59 високоміцний 61 ковкий 62 модифікований 61 сірий 59 Червоностійкість 113 Ш Швидкість охолодження критична 72 143 ДодатокА Правилатехнікибезпекипривиконанні лабораторнихробітіздисципліни “Матеріал озн ав ство” влабораторі яхкафедри фізичногоматеріалознавства 1. Практична частина лабораторних робіт виконується студентами лише в присутності викладача або лаборанта. Перед проведенням конкретних робіт за вказівкою викладача студенти повинні звернути увагу на небезпечні та шкідливі фактори. При шліфуванні та поліруванні зразків необхідно користуватися окулярами для запобігання травмування очей. 4. Якщо при поліруванні зразок вирвано із рук, негайно відключити верстат від електричної мережі. При щавленні зразків у водних або спиртових розчинах лугів, солей, кислот остерігатись їх попадання на відкриту шкіру та очі. Якщо це трапилось, необхідно промити забруднені місця водою. 6. Після закінчення роботи та металографічному мікроскопі МІМ-7 вимкнути мікроскоп із електромережі, закрити чохлами та вимкнути головний рубильник. При виконанні термічної обробки зразків необхідно: − забезпечити наявність гумового килимка на підлозі; − використовувати рукавиці при завантаженні та вивантаженні зразків; − завантажувати та вивантажувати зразки за допомогою кліщів і лише при відключеній від електричної мережі печі; − дотримуватися правил пожежної безпеки при охолодженні зразків в олії (зразки в олію занурювати повністю; не здійснювати одночасне гартування великої маси зразків; в лабораторії обов’язково повинні бути справні первинні засоби пожежного гасіння). По завершенні практичної частини лабораторної роботи необхідно відключити обладнання від електричної мережі; перевірити, щоб зразки після термічної обробки були охолоджені до кімнатної температури, а заслінки печей були закритими. У випадку загорання в лабораторії вжити заходи по його усуненню за допомогою первинних засобів пожежогасіння. Коли цене можливо, студенти повинні покинути лабораторію, а викладач зобов’язаний сповістити завідувача кафедри та адміністрацію та прийняти міри до ліквідації пожежі. 144 ДодатокБ Таблицявідповідностівеличинтвердості, визначенихрізними методами Твердість за Брінеллем, НВ Твердість за Роквеллом, HRC Твердість за Роквеллом, HRB Твердість за Вікерсом, HV 764 72 - 1209 697 68 - 1001 644 62 - 787 586 58 - 680 543 56 - 637 503 52 - 575 451 48 - 492 406 43 - 426 345 38 - 353 314 33 - 313 243 24 - 244 224 20 100 223 202 15 94 204 187 10 91 188 |