Основные свойства материалов
Механические свойства материалов: диаграмма растяжения, твердость, теоретическая и реальная прочности кристалла. Влияние нагрева на структуру и свойства металлов и происходящие при этом процессы. Конструкционные материалы: требования, критерии оценки.
| Рубрика | Химия |
| Вид | курс лекций |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.11.2010 |
| Размер файла | 846,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Сплавы меди подразделяют на 2 группы
1. Латуни - сплавы с цинком Zn
2. Бронзы - сплавы со всеми элементами, кроме цинка.
Свойства медных сплавов приведены в табл.6.
Табл. 6. Механические свойства медных сплавов.
|
Материал |
ув , МПа |
д, % |
НВ , МПа |
|
|
Медь литая |
160 |
25 |
400 |
|
|
Медь деформированная |
450 |
3 |
1250 |
|
|
Латунь Л68 |
320 |
55 |
550 |
|
|
Латунь ЛА77-2 |
400 |
55 |
600 |
|
|
Бронза БрОФ6,5-0,4 |
400 |
60 |
1000 |
|
|
Бронза БрАЖН10-4-4 |
650 |
35 |
1500(4000) |
Латуни маркируются буквой Л (латунь) и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. Маркировка Л68 - означает сплав с содержанием меди 68%, цинка 32%. При добавке других легирующих элементов в маркировке добавляется соответствующая буква (см. табл.7.) и цифра, указывающая его процентное содержание. Например, ЛА77-2 - означает сплав латунь, содержащий меди 77%, алюминия - 2%, остальные 21% цинк.
Табл.7. Обозначения легирующих элементов.
|
Zn |
Sn |
Al |
Be |
Si |
Mn |
Ni |
Pb |
Fe |
P |
|
|
Ц |
О |
А |
Б |
К |
Мц |
Н |
С |
Ж |
Ф |
Легирование цинком значительно повышает прочность и одновременно пластичность материала. улучшается технологичность. Поэтому латуни получили широкое распространение в качестве конструкционных материалов. Из латуни Л85 изготавливают краны , вентили и другое сантехническое оборудование. Латунь с 30% цинка называют патронной, т.к. из нее делают гильзы патронов. Добавка 1,5% олова придает сплаву стойкость к воздействию морской воды, поэтому латунь получила название морской, она идет на изготовление обшивки и деталей оборудования судов. Легирование 3% свинца значительно улучшает обрабатываемость резанием, в результате обработки получается гладкая чистая поверхность, из такой латуни получают тонкие детали часов, поэтому такую латунь называли часовой.
Бронзы маркируются буквами Бр за которыми следуют буквы и цифра смысл которых такой же, как и в латунях. Названия бронзам дают по основным элементам входящим в состав. Например, маркировка БрОФ6,5-0,4 означает сплав бронза, оловянно-фосфорная, с содержанием олова 6,5%, фосфора 0,4%.
За счет легирования в медных сплавах удается получить очень хороший комплекс свойств. Например, бронза БрАЖН10-4-4 по прочности сравнима с углеродистыми сталями, твердость после закалки достигает 4000 МПа. При этом обладает коррозионной стойкостью, сохраняет высокую прочность при нагреве до 400 оС. Поэтому из неё изготавливают ответственные детали двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева в химически агрессивных средах: клапана, части турбин, насосов и др.
Интересными механическими свойствами обладает бериллиевая бронза БрБ2 (содержание бериллия 2%). Отличительной ее особенностью является очень высокий предел упругости у 0,002 = 600 МПа (Т.е. после приложения напряжения 600 МПа остаточная деформация не превышает 0,002%). Из этого материала получаются отличные пружины для часов, измерительных приборов и пр.
Другой сплав Б16 называемый баббит (это сплав с оловом) имеет аномально низкий коэффициент трения со сталью: Ктр = 0.01 (0.005 со смазкой). Поэтому баббиты используются для изготовления подшипников скольжения для поддержки тяжелых турбин электростанций, достигающих массы сотни тонн.
4.3.2 Алюминиевые сплавы
Алюминий -очень легкий серебристо-белый металл, его плотность 2.7 г/см3 , т.е. он в три раза легче меди. Алюминий обладает высокой пластичностью, хорошими теплопроводностью и электропроводимостью (Rуд = 27 нОмм). Замечательная коррозионная стойкость, поскольку на поверхности металла образуется прочная оксидная пленка Al2O3, которая защищает его от дальнейшего окисления. Хорошо обрабатывается резанием.
Чистый алюминий мягкий, но его сплавы имеют хорошую прочность и твердость. Поэтому в основном используется в виде сплавов. Дешевле меди, из-за чего алюминиевые провода все шире применяют для электропроводки.
Используется в судостроении и авиапромышленности для изготовления корпусов, обшивки, каркасов. Из него делают также трубы, радиаторы, теплообменники, электропроводящие шины, провода. В бытовых нуждах используется для изготовления рам окон, дверей, посуды.
Свойства алюминия и некоторых его сплавов приведены в табл.8.
.
Табл.8. Механические свойства алюминиевых сплавов
|
ув , МПа |
д, % |
НВ , МПа |
||
|
Литой Al |
50 |
45 |
150 |
|
|
AМц (1% Mn) |
130 |
20 |
300 |
|
|
AMг6 (6% Mg) |
340 |
20 |
700 |
|
|
Д16 |
440 |
18 |
1050 |
|
|
В95 |
600 |
8 |
1500 |
|
|
В96 |
700 |
7 |
1900 |
Легирование алюминия позволяет значительно повысить механические свойства. Так сплав АМг6, содержащий 6% примеси магния, имеет твердость и прочность 5-7 раз выше, чем у чистого алюминия. По механическим свойствам этот сплав близок к углеродистой стали, но легче его почти в 3 раза.
По соотношению прочности и плотности вычисляют удельная прочность материала:
, (4.1)
где в - предел прочности , - плотность материала, g - ускорение свободного падения.
Она имеет размерность длины. По этому параметру алюминиевые сплавы находятся на уровне высокопрочных легированных сталей уд = 23 км (для легированных сталей уд = 27 км).
Немецкий физик Альфред Вильм, живший в городе Дюрен, изучал свойства алюминиевого сплава легированного медью, магнием и марганцем. Для повышения прочности сплав закаляли, но опыты на давали желаемого результата. Помог случай. Однажды нерадивый лаборант не сделал вовремя измерений свойств образцов, просто забыв о них, и вернулся к измерениям только через неделю. Каково же было удивление ученых, когда обнаружили значительное увеличение прочности забытых образцов. Теперь этот процесс называют старением. А найденный сплав получил название дюралюминий, в честь родного города Вильма.
Теперь этот сплав широко применяется. В таблице приведены примеры свойств дюралюминия марки Д16, высокопрочного дюралюминия марок В95, В96. При очень высокой прочности эти сплавы сочетают легкость алюминия.
Другой сплав алюминия с кремнием называется силумин. Он даже легче чистого алюминия, его плотность 2,65 г/см3. Это хороший литейный сплав, из которого изготавливают корпуса насосов, компрессоров, картеры двигателей, теплообменники и пр.
4.3.3 Магний и его сплавы
Магний - сверхлегкий металл, легче алюминия, плотность 1,74 г/см3 , температура плавления 651 оС. Химически чрезвычайно активен, при нагреве на воздухе воспламеняется и горит ослепительно белым пламенем, раньше использовался в качестве вспышки при фотографировании. В качестве конструкционных материалов используют сплавы магния. Сваривать его нельзя, поэтому из них делают несварные детали и обшивку для сверхлегких самолетов, гоночных машин, картеры двигателей, корпуса компрессоров, легкие фермы, челноки ткацких станков.
Свойства магниевых сплавов МА5, МЛ5 приведены в табл.9.
Табл.9. Механические свойства магниевых сплавов
|
ув , МПа |
д, % |
НВ , МПа |
||
|
Магний (Mg) |
120 |
8 |
300 |
|
|
МА5 (деформ., Al 8%) |
320 |
14 |
||
|
МЛ5 (литейный, Al 8%) |
255 |
6 |
4.3.4 Титан и его сплавы
Титан - тугоплавкий металл серого цвета, температурой плавления t = 1665 оС, с высокой прочностью в = 250 МПа и пластичностью = 70% . При этом плотность его небольшая = 4,5 г/см3, в результате удельная прочность титана оказывается рекордно большой уд = 30 км. Это позволяет при изготовлении деталей из титана при равной прочности получать выигрыш по массе 40% по сравнению со сталью. К положительным качествам титана и его сплавов относятся хорошая обрабатываемость давлением, свариваемость, хладостойкость вплоть до абсолютного нуля температур. К отрицательным - плохо режется, низкая жаропрочность, интенсивно окисляется при температурах выше 600 оС.
Свойства титана и его сплавов приведены в табл.10.
Табл.10. Механические свойства титана и его сплавов.
|
Сплав |
в, МПа |
, % |
НВ, МПа |
|
|
Иодидный титан (примесей <0,1%) |
300 |
60 |
1300 |
|
|
ВТ1-0 (титан технический, прим.<0,3%) |
600 |
25 |
2070 |
|
|
ВТ16 (примесь Al 3%, Mo 4,5%) |
1400 |
5 |
Контрольные вопросы
25. Какие металлы называют цветными? Приведите примеры.
26. Охарактеризуйте общие свойства медных сплавов.
27. Каковы свойства и области применения алюминиевых сплавов?
28. Каковы особенности магниевых сплавов?
29. Области применения алюминиевых сплавов?
4.4 Органические конструкционные материалы
Неметаллическими материалами называют обширный класс веществ с неметаллическим типом химической связи между атомами, т.е. с ковалентной, ионной и поляризационной связями. По своим свойствам они кардинально отличаются от металлов, поэтому их выделяют в отдельную группу. По молекулярному строению они подразделяются на органические и неорганические материалы. К органическим материалам относятся разнообразные пластмассы, резины, компаунды, дерево , к неорганическим - стекло, графит, оксиды металлов и др.
4.4.1 Химический состав
В качестве конструкционных материалов широко применяются органические полимеры. Органические полимеры - это вещества, молекулы которых состоят из длинной углеродной цепи к которой присоединены атомы водорода. Кроме того в этих веществах обычно содержатся кислород, азот, сера, фосфор, хлор. В их состав могут входить атомы других элементов: металлов, галогенов и пр. В этом случае материалы называют элементоорганическими.
Полимеры обладают рядом ценных свойств, которые обуславливают их все более широкое применение. Имеют достаточную прочность, жесткость, эластичность при низкой плотности и легкости. Как правило отличаются высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, стойкостью к коррозии и воздействию влаги. Являются хорошими тепло- и звуко- изоляторами. Есть полимеры со специальными свойствами: оптически прозрачные, антифрикционные, высокоэластичные и т. д.
Существенный недостаток большинства органических материалов - их горючесть. Но в последнее время созданы практически негорючие элементоорганические полимеры.
Важным достоинством полимеров является их технологичность, они легко формуются литьем, выдуванием, хорошо обрабатываются прессованием, вытяжкой, резанием. Это качество повышает экономичность и обуславливает широкое применения полимеров.
Рассмотрим подробнее
4.4.2 Строение полимеров
Полимеры - вещества, молекулы которых состоят из очень длинных цепочек атомов, называемых макромолекулами. Они состоят из многократно повторяющихся одинаковых звеньев - мономеров. Макромолекула может состоят от тысяч до миллионов атомов. Внутри молекулярной цепи атомы связаны весьма прочными ковалентными связями. Между собой молекулы связаны сравнительно слабыми поляризационными силами.
Из-за такого строения полимеров обладают малой плотностью и прочностью по сравнению с металлами, и многие легко плавятся при нагреве.
Полимеры различают по структуре молекул (Рис.54.):
1. Линейные, молекулы которых образуют длинные линии, цепочки.
2. Разветвленные - молекулярная цепочка разветвляется, образует многочисленные ответвления, по строению напоминая дерево.
3. Ленточные - атомы образуют ленточную или лестничную структуру.
4. Плоские - атомы соединяются между собой в плоскости, образуя атомные слои.
5. Пространственные - атомы объединяются в пространственную структуру, наподобие атомов кристаллов.
Полимеры с линейной структурой легкоплавки, эластичны, мягкие, они как правило растворимы в органических жидкостях. Это происходит из-за того, что молекулы соседних цепочек достаточно легко могут скользить друг относительно друга. Разветвленная, ленточная или плоская структура молекул увеличивает прочность и теплостойкость материала. Полимеры с пространственной структурой обладают наибольшей твердостью и прочностью. Они стойки к нагреву и органическим растворителям.
По электрическим свойствам молекул полимеры делятся на полярные и неполярные.
Полярные имеют дипольные моменты молекул или групп атомов, которые способствуют поляризации в электрическом поле. Следующие атомные группы расположены в порядке возрастания полярности или дипольного момента:
CH < CN < CO < СF < CCl
В неполярных материалах молекулы не имеют дипольного момента.
Полярные полимеры имеют более высокие механические свойства, чем неполярные. Они обладают большей твердостью, механической прочностью и эластичностью, характеризуются хорошей химической стойкостью. Эти материалы притягивают влагу и полярные примеси, поэтому труднее поддаются очистке.
По электрическим свойствам неполярные полимеры - лучшие диэлектрики. Они имеют большее электрическое сопротивление, меньшие диэлектрические потери, чем полярные, могут работать при высоких и сверхвысоких частотах.
По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные
Термопластичные полимеры при нагреве постепенно размягчаются и переходят сначала в вязкое состояние, а потом в жидкое. При охлаждении процесс протекает в обратном направлении вплоть до твердого состояния. Повторный нагрев переводит полимер снова в жидкое состояние.
В термореактивных полимерах при нагревании протекают химические реакции, которые приводят к образованию дополнительных связей между атомами. Вследствие этого свойства материала изменяются необратимо, он затвердевает и при повторном нагреве уже не размягчается. При сильном нагреве может обугливается или разрушаться. В органических растворителях термореактивные полимеры как правило нерастворимы.
Термомеханическая кривая полимера
Если термопластичный полимер подвергнуть постоянной механической нагрузке, то он будет деформироваться.
При низкой температуре полимер испытывает упругую деформацию на небольшую величину. При нагреве деформация будет увеличиваться. Чем выше температура - тем больше деформация. Таким образом получится график зависимости деформации о температуры, называемый термомеханической кривой полимера.
На графике зависимости можно выделить три основных участка (Рис.55.), соответствующие разным состояниям полимера:
1. Стеклообразной состояние (СС) - на этом участке полимер деформируется на небольшую величину и ведет себя как хрупкое тело, трескается при больших нагрузках.
2. Высокоэластичное состояние (ВЭС) - здесь деформация возрастает во много раз, полимер ведет себя как эластичное упругое тело.
3. Вязкотекучее состояние (ВТС). При дальнейшем увеличении температуры полимер постепенно размягчается, деформация может увеличиваться до бесконечности. Полимер ведет себя как вязкая жидкость.
Такая кривая типична для линейных полимеров и слабо разветвленных полимеров, которые не сшиты поперечными межатомными связями.
В состав полимеров часто добавляют компоненты, которые улучшают свойства материалов. Рассмотрим их вкратце.
1. Стабилизаторы
Полимеры - аморфные, термодинамически неустойчивые материалы, поэтому их свойства с течением времени изменяются. Ухудшается пластичность, возрастает твердость, появляется хрупкость и т.д. Такой процесс называют старением полимера. Для замедления старения в полимер добавляют специальные вещества, называемые стабилизаторами.
2. Наполнители - вещества добавляемые в полимерные композиции.
Например, порошковые наполнители: мел, каолин, оксиды TiO2, SiO2, древесная мука. Их доля может достигать десятков процентов. Их применяют для снижения стоимости материала, плотности , повышения прочности, упругости и пр. Можно придать специальные качества материалу несвойственные полимеру, например электропроводность, ферромагнетизм. Возможно повышение или понижение теплопроводности, снижение усадки, улучшение звукоизоляции и т. д.
3. Пластификаторы - вещества, добавляемые в полимерные материалы для повышения пластичности, эластичности, уменьшения хрупкости при охлаждении или морозостойкости, для улучшения формуемости при прессовании, штамповке.
4. Специальные добавки
Например красители, для улучшения внешнего вида изделий. Иногда добавляют смазки, чтобы полимеры не прилипали к формующему оборудованию.
Для материалов используемых в электротехнике применяют специальные добавки для снижения горючести или дугогасящие добавки. Эти вещества при нагреве выделяют газ, прекращающий или затрудняющий горение (фосфорнокислый аммоний, трехокись сурьмы, перхлорвинил и т. п.).
4.4.3 Свойства полимеров
Рассмотрим общие свойства некоторых распространенных полимерных материалов (Табл.11.).
Термопласты
Полиэтилен - продукт полимеризации этилена, структура (-СН2-СН2-)n один из самых распространенных полимеров, обладает достаточной прочностью, стойкостью к действию влаги, кислот, щелочей, хорошо обрабатывается, дешев. Хороший диэлектрик. Широко применяется для изготовления бытовых изделий, химической посуды, труб, используется как изоляционный материал в электротехнике.
Полипропилен- продукт полимеризации пропилена, структура (-С2Н4-СН2-)n . За счет бокового ответвления молекулы прочнее полиэтилена, более термостоек. Однако химически менее стоек, быстрее стареет.
Полистирол - полимер со структурой (-СН(С6Н5)-СН2-)n, линейная цепочка с присоединенным бензольным кольцом. За счет громоздкого ответвления получается еще большая прочность материала. К недостаткам следует отнести невысокую нагревостойкость и склонность к растрескиванию.
Политетрафторэтилен (фторопласт или тефлон) - полимер со структурой этилена, в котором атомы водорода заменены на атомы фтора (-СF2-СF2-)n . Прочность связи C-F очень велика 450 кДж/моль. В результате такого замещения получился молочно белый, жирный на ощупь материал с замечательными свойствами. Он не горюч, не смачивается водой, химически чрезвычайно стоек, на него не действуют ни кислоты, ни щелочи, ни органические растворители. Его термостойкость рекордная для полимеров. Диэлектрические свойства фторопласта очень высоки и практически неизменны при нагреве и на высоких частотах. Его недостатком является холодная текучесть при механических нагрузках.
Поливинилхлорид - полимер со структурой (-СН2-СНCl-)n . За счет сильно полярной связи с хлором, полимер полярный, что значительно увеличивает прочность материала. Из-за наличия хлора практически негорюч. Его изоляционные свойства вполне удовлетворительны в низкочастотных полях.
Табл.11. Механические свойства полимеров
|
Материал |
?в, МПа |
tmax, oC |
|
|
Термопласты |
|||
|
Полиэтилен |
10-20 |
80 |
|
|
Пилипропилен |
26-38 |
100 |
|
|
Полистирол |
40-60 |
70 |
|
|
Политетрафторэтилен (фторопласт) |
20-40 |
250 |
|
|
Поливинилхлорид |
80-160 |
80 |
|
|
Реактопласты |
|||
|
Фенолформальдегидные смолы |
15-35 |
200 |
|
|
Полиэфирные |
40-70 |
100 |
|
|
Эпоксидные |
30-70 |
160 |
|
|
Полимер с наполнителем |
|||
|
Гетинакс (фенолформ. смола + наполнитель бумага) |
60-70 |
120 |
|
|
Текстолит (х/б ткань) |
70-100 |
100 |
|
|
Стеклотекстолит (стеклоткань) |
200-600 |
200-400 (3000) |
|
|
Пенопласт (газ) |
? = 20-300 кг/м3 |
Реактопласты
Фенолформальдегидные смолы являются основой большого количества пластмасс, лаков и клеев. В результате нагрева происходит химическая реакция, и получается полимер бакелит. Сам по себе он хрупок, поэтому его применяют с наполнителями. Из таких пластмасс изготавливают корпуса приборов, педали, рукоятки, коллекторы электродвигателей, ролики и пр.
Эпоксидные смолы затвердевают при реакции со специальными добавками, называемыми отвердителями. Для этого не требуется нагрева, поэтому они стали незаменимыми материалами в качестве компаундов, заливочных масс.
4.4.4 Полимеры с наполнителями
Полимеры с наполнителями являются композиционными материалами, которые подробнее мы рассмотрим в следующих разделах. Здесь же приведем свойства некоторых из них.
Гетинакс состоит из слоев бумаги пропитанных и склеенных фенолформальдегидной смолой. Он обладает достаточной прочностью и хорошими электроизоляционными свойствами. Из него делают платы, панели, изоляционные прокладки, шайбы, каркасы катушек и др.
Текстолит состоит из слоев хлопчатобумажной ткани пропитанных и склеенных смолой. Обладает большей прочностью , чем гетинакс. Применяется для изготовления тех же деталей. Кроме того из текстолита делают подшипники скольжения, и бесшумные скоростные шестеренки для редукторов, коробок передач, амортизационных прокладок для поглощения вибраций.
Стеклотекстолит получается так же как текстолит, но в качестве наполнителя берется стеклоткань. Вследствие чего резко повышаются механические и электрические свойства, возрастает нагревостойкость, снижается влагопоглощение.
Пенопласт - важная разновидность пластмасс, получаемая путем вспенивания и затвердевания полимера. Таким образом наполнителем является газ. Пенопласты являют самыми легкими конструкционными материалами, они радиопрозрачны, хорошие диэлектрики. Из них изготавливают обтекатели радиоантенн, тепло- и звуко- изоляционные перегородки в авиации, легкие конструкции в строительстве и упаковка в быту.
4.4.5 Эффективность применения полимеров
Современные полимерные материалы все шире применяются в технике из-за их высоких свойств и технологичности. Так например, для изготовления детали из металла требуется сделать отливку, отрезать, обточить, отшлифовать, термоотбработать и т.д. Весь процесс может включать от 30 до 50 технологических операций. В случае изготовления детали из пластмассы зачастую достаточно одной операции формовки, после которой получается готовое изделие. В итоге трудоемкость изготовления снижается в 3-5 раз, стоимость деталей в 4-10 раз, масса в 4-5раз. Поэтому в настоящее время пластмассы составляют 10-25% веса самолетов и 20-50% веса ракет, и эта доля продолжает увеличиваться.
Контрольные вопросы
30. Каковы основные элементы, входящие в состав органических материалов?
31. Структура молекул полимеров?
32. Термомеханические кривые полимеров?
33. Приведите примеры термопластов?
34. Каковы характерные свойства реактопластов?
35. Цели использования наполнителей полимеров?
36. Перечислите преимущества при применении полимерных материалов.
4.5 Неорганические конструкционные материалы
Примерами неорганических материалов являются графит, стекло, керамика, оксиды металлов и неметаллов и т.п. В их состав могут входит практически все элементы периодической системы Менделеева, и всевозможные их соединения. Среди положительных качеств неорганических материалов можно назвать тепло- , и химическую стойкость, высокую твердость и прочность, неорганические материалы обычно негорючи, многие огнеупорны, в отличие от органических материалов не подвержены старению. Но в то же время эти материалы, как правило, хрупкие, «боятся» резких скачков температур, довольно плотные и прочность на растяжение в несколько раз ниже прочности на сжатие. Рассмотрим подробнее свойства некоторых неорганических материалов.
4.5.1 Графит
Графит - это материал состоящий из атомов углерода С, которые образуют слоистый кристалл (Рис.56.). Четыре электрона на внешней оболочке углерода образуют три ковалентные связи и одну металлическую. Прочные ковалентные связи объединяют атомы в атомные плоскости. Вследствие этого прочность кристалла графита вдоль этих атомных плоскостей очень высокая. Между собой атомные плоскости связаны слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами. Отсюда прочность графита перпендикулярно атомным плоскостям весьма малая. Одна металлическая связь придает ему хорошую электропроводность.
Такое необычное строение кристалла приводит к очень интересным сочетаниям свойств графита. Он сильно анизотропен: длина ковалентной связи , а расстояние между атомными плоскостями намного больше и составляет . Вследствие прочности ковалентных связей температура плавления графита чрезвычайно высока . Графит является абсолютным рекордсменом термостойкости среди всех существующих материалов. Слоистая структура графита и слабая связь между соседними плоскостями обусловливают анизотропию всех физических свойств кристаллов графита во взаимно перпендикулярных направлениях.
Графит встречается в природе в естественном виде, а также получается искусственным путем (технический и пиролитический графит). Потребительские качества природного графита невысоки, он содержит много примесей, порист, непрочен, его свойства почти изотропны. Используется только в качестве антифрикционного материала. Более чистый технический графит получают из нефтяного кокса и каменноугольного пека при нагреве до температуры . Степень анизотропии его свойств достигает значения 3:1. Ещё более качественный графит получают в результате реакции пиролиза углеводородов (метана). Атомы углерода осаждаются на нагретых до температуры поверхностях, изготовленных из технического графита или керамики. После охлаждения и кристаллизации получается пиролитический графит. В этом случае степень анизотропии свойств достигает значения 100:1 и более. Его свойства приведены в табл.12.
Табл.12. Свойства пиролитического графита
|
? , 10-6 1/К |
|||||||||
|
Растяжение |
Сжатие |
||||||||
|
// |
// |
// |
// |
||||||
|
2000-2200 |
- |
120 |
470 |
120 |
2 |
370 |
24 |
0,023 |
где r - плотность, sв - прочность, l - коэффициент теплопроводности, a - коэффициент теплового расширения.
Как видно, один и тот же материал обладает совершенно разными свойствами по разным направлениям. Например, если его сориентировать перпендикулярно атомным слоям, то это будет теплоизолятор, а если параллельно - теплопроводник.
Проводящие свойства графита используются при изготовлении из него щеток электродвигателей, генераторов. Теплостойкость - при изготовлении сильно нагревающихся деталей конструкций летательных аппаратов и их двигателей, в энергетических ядерных реакторах. Из-за малого коэффициента трения графит используют в качестве антифрикционного материала, твердой смазки, которая сохраняет свойства при высоких температурах и при сильном охлаждении. Прочные углеграфитовые волокна добавляют в качестве наполнителя в композиционные материалы.
4.5.2 Стекло
текло представляет собой затвердевший высоковязкий раствор оксидов кремния (Si), бора (B), фосфора (P) и других элементов. Кроме того для придания дополнительных качеств в состав стекла добавляют металлы и их оксиды: Na, K, Al, Fe, Pb и др. Важнейшим отличительным качеством стекла является его прозрачность.
Стекло, в отличие от кристалла, имеет беспорядочную структуру, которую называют аморфным состоянием (Рис.57.). При нагреве стекло плавится не сразу, а постепенно, размягчаясь все больше и больше, вплоть до жидкого состояния. Т.е. переход из твердого состояния в жидкое происходит в широком температурном интервале. При температуре ниже tc , называемой температурой стеклования, аморфный материал ведёт себя как хрупкое твердое тело. При превышении температуры tc стекло переходит в вязкое пластичное состояние. В таком состоянии проводят формовку стеклянных изделий на производстве. При дальнейшем повышении температуры выше tр , называемой температурой размягчения, стекло уже переходит в жидкое состояние.
Обычное стекло, которое часто встречается в повседневной жизни, в основе состоит из оксида кремния () , и поэтому называется силикатным стеклом. Рассмотрим его свойства. Для силикатного стекла температура стеклования , температура размягчения .
Стекло выпускают различное по химическому составу и по свойствам. В зависимости от назначения различают стекло техническое, строительное и бытовое. Технические стёкла идут на изготовление оптических приборов, линз, отражателей, подложек, химической лабораторной посуды, труб, светотехнических приборов и пр. Из строительного делают оконные стекла, витрины, стеклоблоки, облицовку. Из бытового стекла производят всевозможную посуду, стеклотару, бытовые зеркала и пр. Механические свойства характерные для стёкол приведены в Табл.13.
Табл.13. Механические свойства стекол
|
Твердость по Моосу |
Термостой-кость, |
|||||
|
Растяжение |
Сжатие |
|||||
|
2200 - 6500 |
30-40 |
500-2000 |
5-7 (10 у алмаза) |
9 |
90-170 |
Ввиду того, что прочность на растяжение сильно отличается от прочности на сжатие, изготавливают так называемое закаленное стекло. Закалка заключается в нагреве стекла до температуры выше температуры стеклования и последующем быстром и равномерном охлаждении в потоке воздуха или в масле. За счет закалки поверхностные слои испытывают сжимающие напряжения, из-за чего прочность стекла увеличивается в 3-6 раз. Его применяют например для изготовления стёкол автомобиля. Если лобовое стекло будет сделано из простого стекла, то при аварии стекло разобьется на крупные части и каждая из них острыми краями будет срезать все на своем пути. Если же поставить закаленное стекло, то при аварии оно распадается на мелкие осколки из-за больших напряжений на поверхности. В результате мелкие осколки нанесут намного меньше вреда. Сегодня при изготовлении лобовых стекол применяют два закаленных стекла, между которыми находится слой полимера, который не дает разлететься в разные стороны осколкам стекла. Такое безопасное стекло называют триплекс.
Производят стекло также в виде волокон - стекловата. Это отличный теплоизолятор, которые выдерживает нагрев до 400оС, не боится сырости и грызунов паразитов. Стекловату применяют для тепло- и шумо- изоляции кабин самолетов, кузовов автомобилей, железнодорожных вагонов, тепловозов, электровозов, ею теплоизолируют различные трубопроводы и т. д.
Стекло с добавками оксида свинца получается очень плотным 8000 кг/м3 , оно не пропускает рентгеновское и ?- излучение. Из него делают смотровые окна для рентгеновских аппаратов, манипуляторов для работы с радиоактивными препаратами. Примесь оксида железа придает стеклу способность поглощать инфракрасное излучение, такое стекло необходимо для работы в горячих цехах, литейных и прокатных производствах.
Необычны свойства так называемого кварцевого стекла, которое состоит из чистого оксида кремния SiO2 . Оно имеет аномально низкий коэффициент теплового расширения 0,510-6 1/К . Вследствие этого кварцевое стекло обладает огромной термостойкостью. Под этим свойством подразумевают способность материала выдерживать перепады температуры при резком охлаждении в воду. Для большинства стекол это около 100оС, а у кварцевого 800-1000 оС. Кроме того оно характеризуется высокой химической стойкостью, поэтому из него изготавливают лабораторную посуду, тигли для плавки металлов, формы для точного литья.
4.5.3 Ситаллы
Ситаллы получают на основе неорганических стекол путем их полной или частичной кристаллизации с помощью добавок катализаторов. В результате доля кристаллической фазы составляет 30-90%, размеры кристалликов 1-2 мкм). Термин ситаллы образован комбинацией слов: стекло и кристаллы. Еще их называют стеклокерамикой или пирокерамами.
Ситаллы подразделяют на фотоситаллы и термоситаллы. Фотоситаллы кристаллизуются под действием света. Они чувствительны к свету, соответственно, там, где произошло облучение, произойдет кристаллизация, а в других местах нет. Термоситаллы кристаллизуются под действием нагрева.
Механические свойства ситаллов весьма высоки (Табл.14.).
Табл.14. Свойства ситаллов.
|
Твердость, МПа |
Жаропрочность, оС |
Термостойкость, оС |
|||||
|
Растяжение |
Сжатие |
||||||
|
2400-3000 |
110-160 |
700-2000 |
7000-10500 |
800-1200 |
0,7-12 |
500-900 |
Как видно из таблицы, плотность ситалла как у алюминиевых сплавов, твердость как у закаленной углеродистой стали, при этом он обладает высокой термостойкостью и химической стойкостью как у кварцевого стекла. Это прекрасный стабильный диэлектрик. Ввиду такого уникального сочетания свойств (очень легкий и при этом очень твердый и прочный) ситаллы находят всё более широкое применение.
Из ситаллов изготавливают обтекатели радиоантенн летательных аппаратов, лопасти воздушных компрессоров, сопла реактивных двигателей; подшипники, детали двигателей внутреннего сгорания, трубы для химической промышленности. Их используют в качестве жаростойких покрытий для защиты металлов от действия высоких температур и коррозии. Они применяются при изготовления калибров, оснований точных приборов, подложек микросхем.
Фотоситаллы используют для изготовления фильер (пластины, в которых проделаны небольшие отверстия) для вытягивания синтетических волокон. Для этого на пластинке засвечивается те участки, которые должны быть закристаллизована. Соответственно те области, на которые не попал свет остаются в аморфном состоянии. Затем с помощью специальной жидкости-травителя растворяют аморфную фазу. В результате на очень твердой пластинке получаются отверстия нужной формы и размера. Затем через эти отверстия выдавливают синтетическое волокно.
4.5.4 Керамика
Керамика -- неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200--2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот термин применяется к широкому кругу материалов с разнообразным химическим составом. В результате обжига или спекания формируется структура материала, состоящая из кристаллической и аморфной фазы, с газовыми включениями или порами. В результате изделия приобретает необходимые физико-механические свойства.
Кристаллическая фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.
Аморфная фаза в количестве 1--10 % находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Стеклообразующие компоненты (или глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.
Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По количеству этой фазы керамику подразделяют на плотную и пористую. Наличие пор как правило нежелательно, так как снижается механическая прочность и другие свойства материала.
Большинство видов технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения.
По химическому составу керамику подразделяют на две большие группы: оксидная и бескислородная керамика.
Керамика на основе оксидов
В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А12О3 (корунд), SiO2, ZrO2, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому такую керамику относят к классу высокоогнеупоров. Оксиды химически стабильные соединения не подверженные дальнейшему окислению при нагреве. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает значительно большей прочностью при сжатии, по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе.
Корундовая керамика (на основе А12О3) обладает чрезвычайной прочностью, которая сохраняется при высоких температурах. По прочности корунд занимает второе место, уступая только алмазу. Керамика химически стойка, является отличным диэлектриком. Другие её свойства приведены в Табл.15.
Табл.15. Свойства корундовой керамики.
Твердость,HRA |
Жаропрочность, оС |
|||
|
Сжатие |
||||
|
3940 |
5000 |
92 |
2200 |
Изделия из корундовой керамики широко применяют во многих областях техники. В электротехнике из неё изготавливают изоляторы, диэлектрические основания, платы. В машиностроении делают высокоскоростные резцы, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и т.д.. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной технике, пористую - как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавку металлов.
Керамика на основе оксида циркония (ZrO2) может работать до температуры 2200°С, имеет малую теплопроводность. Она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве теплозащитных покрытий металлов.
Керамика на основе оксида бериллия (BeO) напротив отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочность материала невысокая. Применяется для изготовления тиглей для плавки металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.
Бескислородная керамика
К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом -- карбиды, с бором -- бориды, с азотом -- нитриды, с кремнием -- силициды и с серой -- сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500--3500°С), твердостью (иногда как у алмаза), износостойкостью и химической стойкостью по отношению к агрессивным средам. Их недостатком является хрупкость. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900--1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300--1700°С.
Карбиды. Широкое применение получила керамика из карбида кремния -- карборунд (SiC). Он обладает полупроводниковыми свойствами, высокой жаростойкостью до 1600°С, твердостью, устойчивостью к кислотам. При подключении к нему электрического напряжения, протекает значительный ток, и материал греется. Этот эффект используют для изготовления нагревательных стержней из карбокорунда.
Карбид бора B4C легкий и прочный материал, используется как керамическая броня для бронежилетов. Слой 6 мм по эффективности защиты заменяет 10 мм металлической брони, при этом сам жилет становится в 4 раза легче.
Силициды тоже полупроводники, отличаются окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Например, дисилицид молибдена MoSi2 используется в качестве электронагревателя в печах, который стабильно работает в течение нескольких тысяч часов при температуре 1700°С. Из такой керамики изготовливают лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши реактивных двигателей; её применяют для защитных покрытий тугоплавких металлов от окисления при высоких температурах.
Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая. Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrB2 и др.). Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивной среде. Покрытия из боридов сильно повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.
Нитриды. Неметаллические нитриды являются огнеупорными материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводность. Так нитрид бор (эльбор) очень твердый и прочный материал, это заменитель алмаза. Но алмаз стоек к окислению при нагреве до 800°С, а эльбор - до 2000°С. Другой материал нитрид кремния Si3N4 устойчив к окислению до 1600°С , очень прочен, обладает малой плотностью. Этот материал рекордсмен по удельной прочности при высоких температурах. При этом он в несколько раз дешевле жаропрочных металлических сплавов. Из него изготавливают керамические детали для двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева: поршни и цилиндры.
Контрольные вопросы
37. Приведите примеры неорганических материалов.
38. Каков химический основной химический состав силикатного стекла?
39. Свойства стекла?
40. Что такое ситаллы?
41. Какие материалы называют керамикой?
42. Каков фазовый состав керамики?
4.6 Композиционные материалы
Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.
4.6.1 Дисперсноупрочнённые композиционные материалы
В дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленых в неё мелких частиц 10-500 нм (Рис.58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение дислокаций. Для достижения высокой прочности частицы должны быть равномерно распределены по матрице. В качестве дисперсных частиц используют тугоплавкие нерастворимые оксиды металлов в количестве 5-10% от массы.
У металлических КМ предел за счет упрочнения прочность повышается на 50-100% , увеличиваются модуль, упругости и жесткость, жаропрочность приближается вплотную к температуре плавления 0,9-0,95 tпл. Снижается вероятность трещинообразования, практически устраняется склонность к внезапному хрупкому разрушению, т.к. трещины активно тормозятся дисперсными частицами. Это важное положительное качество композиционных материалов.
В качестве примера рассмотрим широко применяемый спеченный алюминиевый порошок САП.
Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой температуре под давлением. Частицы порошка алюминия покрыты тонким слоем прочного тугоплавкого оксида Al2O3 . При прессовании и спекании пленки разламывается на кусочки и распределяется по алюминиевой матрице. Получается дисперноупрочненный КМ.
САП обладает следующими свойствами.
1) предел прочности у = 400 МПа
2) пластичность около 3%
3) прочность при высоких температурах (250-500 ?С) 50 МПа.
САП материал легкий, как алюминий с = 2700 кг/см3 , у него прочность при температурах 250-500 ?С, как у титана и сталей. Т.е. он сочетает легкость и высокую прочность . По этим свойствам он заменяет титан при температурах до 500 ?С, а по стоимости он намного дешевле его.
Другой пример КМ на основе никеля, который упрочняется тугоплавкими частицами оксида тория или оксида гафния. Получается очень хороший жаропрочный и коррозионностойкий материал сохраняющий высокие свойства до температуры tраб = 1200 ?С.
4.6.2 Волокнистые композиционные материалы
Волокнистые композиционные материалы представляют собой относительно мягкую матрицу, которая связывает прочные волокна (Рис.59.). Основную механическую нагрузку несут волокна, а матрица равномерно распределяет её. Упрочняющие (или армирующие) волокна могут быть диаметром d = 10 нм - 100 мкм , как длинные, так и короткие. Если отношение длины волокна к диаметру (l/d) = 10 - 1000, то такие волокна называются дискретными. Если (l/d) > 1000 , то такие волокна называют непрерывными. В процентном содержании волокна могут составлять 20-80% массы материала.
В зависимости от способа укладки волокон различают структуры композиционных материалы:
1. Однонаправленные - волокна укладываются вдоль одного направления.
2. Сотканные - волокна уложены перекрестно в двух направлениях, как в ткани..
3. Объемные -пространственная укладка волокон. Волокна сшиваются в объёмную структуру в трёх и более направлениях.
Сотканные и слоистые материалы анизотропны, прочность вдоль слоев волокон заметно больше, чем в поперечном направлении. Наибольшей прочностью обладают материалы с объемной структурой. Они почти изотропные, т.е. в разных направлениях свойства одинаковы.
В качестве армирующих волокон используются сверхпрочные борные волокна, углеродные, карбидные, нитридные, оксидные и т.д. Из металлических материалов для армирования применяют проволоку из вольфрама, молибдена, углеродистой стали.
В качестве матрицы используются как металлы, так и не металлы, органические и не органические соединения - все подряд. При этом материалы выбираются таким образом, чтобы комбинировать и получить определенные сочетания положительных свойств матрицы и армирующих соединений.
Рассмотрим примеры волокнистых КМ композиционных материалов.
Бор - алюминий
Алюминиевая матрица . Алюминий мягкий материал. Борные волокна - это прочный материал, но хрупкий. В сочетании эти два материала дают вязкий и прочный композиционный материал. С пределом прочности ув = 1300 МПа. Т.е. по прочности как легированная сталь, по весу как алюминий.
Алюминий - сталь
Алюминиевая матрица. Стальные волокна. Обладает пределом прочности ув = 1600 МПа. Т.е. прочность ещё выше, но значительно легче стали.
Никель-вольфрам
Никель - матрица, вольфрамовая нить - армирующий материал. Это жаростойкий материал. Имеет прочность ув = 700 МПа. Высокая прочность при высоких температурах.
Углепласт
Углеродные волокна , которые пропитываются связующим - полимерной смолой. После полимеризации смолы получается сверхпрочный материал углепласт ув = 1000 МПа. При этом он чрезвычайно легкий с = 1500 кг/см3, легче алюминия, сохраняет прочность при кратковременном нагреве до температуры 2200 ?С .
Борноволокнистые материалы
Для армирования используют борные волокна. Такой КМ обладают еще большей прочностью ув = 1300 МПа, легкий с = 2000 кг/см3, выдерживает длительный нагрев до температуры tраб = 300 ?С.
Композиционные материалы благодаря своим уникальным свойствам все более широко используется в самых разнообразных областях. Это современные перспективные материалы, которые востребованы в первую очередь авиационной, автомобильной , ракетной технике. Их стоимость снижается и потому они все шире и чаще используются для изготовления легких конструкций и деталей в строительстве, машиностроении, бытовой техники и т.д..
Контрольные вопросы
43. Какие материалы называют композиционными?
44. Строение дисперсноупрочнёных композиционных материалов.
45. Принципы упрочнения волокнистых материалов.
46. Способы укладки волокон.
47. Преимущества композиционных материалов?
48. Приведите примеры композиционных материалов.
Подобные документы
Понятие строения вещества и основные факторы, влияющие на его формирование. Основные признаки аморфного и кристаллического вещества, типы кристаллических решеток. Влияние типа связи на структуру и свойства кристаллов. Сущность изоморфизма и полиморфизма.
контрольная работа [24,1 K], добавлен 26.10.2010Понятие, назначение и классификация индикаторов. Строение и свойства полианилина. Влияние природы инициатора и полимерной матрицы на структуру и свойства композиционных материалов. Синтез композитных материалов на основе пленки Ф-4СФ и полианилина.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 18.07.2014Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов и их изменение. Восстановительные и окислительные свойства d-элементов. Ряд напряжения металлов. Химические свойства металлов. Общая характеристика d-элементов. Образование комплексных соединений.
презентация [541,6 K], добавлен 11.08.2013Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов. Физические свойства металлов. Химические свойства металлов. Коррозия металлов. Понятие о сплавах. Способы получения металлов.
реферат [19,2 K], добавлен 05.12.2003Характеристика и назначение лакокрасочных материалов. Понятия дисперсность, суспензия, эмульсия. Основные требования к защитным покрытиям. Преимущества красок на основе акриловых латексов. Свойства лакокрасочных материалов и покрытий на их основе.
реферат [42,9 K], добавлен 17.02.2009Значение использования прогрессивных видов композиционных материалов, формовочные композиционные материалы с определенными свойствами. Физико-механические свойства полибутилентерефталата, модифицированного высокодисперсной смесью железа и его оксидом.
статья [35,6 K], добавлен 03.03.2010История развития производства благородных металлов. Свойства и методы получения благородных металлов. Химические свойства. Физические свойства. Использование благородных металлов.
реферат [384,3 K], добавлен 10.11.2002Основные свойства полиимидных пленок, закономерности изменения их структур, происходящие под действием барьерного разряда. Влияние обработки в барьерном разряде на процессы накопления гомозаряда в пленках. Кратковременная электрическая прочность.
дипломная работа [6,7 M], добавлен 03.03.2012История открытия стронция. Нахождение в природе. Получение стронция алюминотермическим методом и его хранение. Физические свойства. Механические свойства. Атомные характеристики. Химические свойства. Технологические свойства. Области применения.
реферат [19,2 K], добавлен 30.09.2008Влияние влаги на физические и механические свойства полимер-полимерных композитов — органоволокнитов. Изменение свойств пластификатора в системе полимер — пластификатор. Динамические механические свойства армирующего высокомодульного наполнителя.
статья [157,0 K], добавлен 03.03.2010
