Материаловедение и технология конструкционных материалов

Материаловедение и технология конструкционных материалов

Атомно-кристаллическое строение металлов

Наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, а также методы обработки металлических и неметаллических материалов, называется материаловедением.

Строение чистых металлов.

Металлы – простые вещества, обладающие высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, металлическим блеском.

Учение о свойствах и структуре металлов и их сплавов составляет основу металловедения – науки о металлах.

Под структурой понимается порядок расположения атомов в металле, а также их группировка в более крупные образования – зерна или кристаллиты.

Любой металл можно представить в виде большого количества атомов, в которых положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами.

Электроны легко перемещаются с орбиты одного атома на орбиту другого и своей подвижностью напоминают перемещение частиц в газах, из-за чего получим название электронного газа. Этой подвижностью и объясняется высокая электро- и теплопроводность и другие металлические свойства.

Характеристика аморфных и кристаллических тел

В зависимости от скорости охлаждения твердые тела делятся на аморфные и кристаллические.

В аморфных телах атомы располагаются в определенной последовательности, не образуя кристаллов.

При этом свойства у них во всех направлениях одинаковы. О таких телах говорят, что они изотропны.

Их получают при скоростях охлаждения металлов 10⁶ – 10⁷ ˚ С/сек в виде тонких лент и мелких частиц. Они обладают высокой твердостью, хорошей коррозионной стойкостью и другими полезными свойствами.

При нагревании аморфное тело может перейти в кристаллическое. В кристаллических телах атомы имеют определенное геометрическое расположение. По разным направлениям свойства их различны. Эта особенность кристаллов, т. е. зависимость свойств от направления называется анизотропией, а тела анизотропными.

Анизотропию можно устранить, если кристаллам с помощью соответствующей обработки придать единую ориентацию.

Единая ориентация кристаллов называется текстурой, а металл, в котором создана текстура, называется текстурированным.

Типы кристаллических решеток

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, называется элементарной кристаллической ячейкой.

Кристаллические решетки разных металлов различают по форме и размерам кристаллических ячеек.

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка.

В такой простой решетке содержится всего 8 атомов, которые расположены в узлах куба.

ПК

Объемно-центрированная кубическая решетка

8 атомов в вершинах куба и один атом в центре куба

Cr, W, Mb, Va

Гранецентрированная кубическая решетка

8 атомов в вершинах куба и 6 в центре каждой грани

Ag, Au, Pb, Pt, Ca

Гексогональная плотноупакованная

6-ти гранная призма, содержащая 17 атомов, которые расположены в вершинах этой призмы в центре оснований и 3 атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют Mg, Zn, Re, Be, Hf

Тетрогональная решетка

Размеры кристаллической ячейки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, расположенных в вершинах ячейки, и называются параметрами или периодом постоянной кристаллической решетки.

Все кубические решетки характеризуются длиной ребра куба и обозначается а.

ГПУ и Т решетки характеризуются 2-мя параметрами: постоянной многоугольника и высотой призмы С или отношением а к с.

Параметр решетки находится от 2 до 6 А (амстрем) 10^{-8 см}

Является важной характеристикой, так как его изменение приводит к существенному изменению свойств материала.

Понятие полиморфизма

Способность металлов в твердом состоянии изменять тип кристаллической решетки в зависимости от внешних условий (Р, Т) называется полиморфизмом или аллотропией.

Эти кристаллические структуры называются аллотропическими формами или модификациями.

Превращения одной аллотропической формы в другую происходит при постоянной температуре, которая называется температурой полиморфного превращения или критической температурой.

Такое превращение сопровождается тепловым эффектом, так как затрачивается энергия на перестройку решетки.

Разные аллотропические формы одного и того же элемента принято обозначать греческими буквами α, β, γ и т.д. Например Со_α → 450˚ С Со_β или Ti_α → 882˚ С Ti_β

^{ГПУ ГЦК ГПУ ОЦК}

Основы деформации металлов

Виды деформаций:

Деформация – изменение размеров и вормы тела под действием внешних сил.

Деформация напрямую связана с такой характеристикой как прочность.

Прочность – способность материала противостоять деформациям и разрушению.

Деформация может быть упругой и пластической.

Упругая – деформация, полностью исчезающая после снятия нагрузки. При упругой деформации происходит незначительное изменение расстояний между атомами в кристаллической решетке. При увеличении межатомных расстояний возникают силы притяжения. Эти силы и возвращают атомы в первоначальное положение.

Пластическая (остаточная) – деформация, остающаяся в материале после снятия нагрузки.

В этом случае атомы не возвращаются в исходные позиции, а занимают новое положение устойчивого равновесия.

Общая нагрузка складывается из упругой и пластической. После снятия нагрузки остается только пластическая.

… характеризуется в основном скольжением. Скольжение или сдвиг происходит под действием касательных напряжений в плоскостях в направлениях с наиболее плотной упаковкой атомов, где сопротивление сдвигу наименьшее.

Скольжение или сдвиг происходит легче в металлах с кубической решеткой. Там больше плоскостей (линий) скольжения. С ГПУ решеткой обладают меньшими пластическими свойствами.

Наклеп и рекристаллизация

Факторы, определяющие пластичное и хрупкое состояние:

Принято различать хрупкое и пластичное разрушение.

Вязкость – способность материала поглощать энергию внешних сил за счет пластичной деформации.

Хрупкое разрушение происходит путем отрыва под действием нормальных растягивающих напряжений.

До разрушения металл испытывает только упругую деформацию.

Для хрупкого разрушения характерен кристаллический излом по границам зерен.

Плоскость разрушения перпендикулярна к растягивающим напряжениям.

Склонность к разрушению увеличивается со скоростью деформации при наличии концентраторов направлений с увеличением масштабного фактора.

Пластичное или вязкое разрушение происходит под действием среза с приложением касательных напряжений.

Разрушение в этом случае происходит после значительной пластичной деформации с поглощением внешней энергии за счет вязкости металла.

Для вязкого разрушения характерен волокнистый излом.

Это связано с пластическим деформированием металла.

Плоскость излома находится под углом.

Некоторые металлы в зависимости от температуры могут разрушаться как хрупко, так и вязко.

Переход от хрупкого к вязкому состоянию происходит в интервале критических температур.

Склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры называется хладноломкостью, а температура – температурой вязкохрупкого перехода.

Хладноломкими являются вольфрам, железо, цинк и другие металлы и сплавы, имеющие ОЦК или ГПУ решетки, а металлы с ГЦК решеткой (алюминий, медь, никель и их сплавы) не склонны к хладноломкости.

Их можно использовать при креогенных температурах.

Возврат

Металл, подвергнутый пластической деформации находится в термодинамически неустойчивом состоянии.

Нагревание может вернуть ему исходные (до деформации) свойства.

Если температуры нагрева находятся в пределах 0, 2 – 0, 3 Т_{плавления} материала, то наступает процесс возврата.

Снижаются напряжение в материале, улучшается структурное состояние, уменьшается количество дислокаций.

При возврате заметных изменений в структуре металла не наблюдается.

Он сохраняет слоистое или волокнистое строение.

Механические свойства материала также не изменяются.

Основные понятия в теории сплавов.

Сплавами называются сложные вещества, полученные сплавлением 2-х и более простых веществ.

Метод получения плавления чистых веществ: диффузия, методы порошковой металлургии и т.д.

Преимущества: обладают более высокими механическими свойствами и эксплуатационными характеристиками по сравнению с чистыми металлами.

К основным понятиям в теории сплавов относятся компонент, система, фаза.

Компоненты – вещества (элементы), которые применяют для изучения сплавов. Компонент, преобладающий в сплаве количественно, называется основным.

Совокупность компонентов сплава называется системой.

Фазой называется однородная часть сплава, отделенная от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и структура материала изменяется скачком.

Взаимодействие компонентов при образовании сплавов.

В процессе кристаллизации металлов из жидкого состояния могут образоваться следующие сплавы:

1. механические смеси образуются, когда из жидкого расплава выпадают кристаллы составляющих его компонентов.

Компоненты не склонны к взаимному растворению и не взаимодействуют друг с другом, кроме того они имеют различные кристаллические решетки.

2. твердые растворы.

В ТР сохраняется решетка одного из компонентов, а второй компонент, утратив свой кристаллическое строение распределяется в первом в виде отдельных атомов.

1-ый компонент – растворитель

2-ой компонент – растворимый

По типу расположения атомов растворяемого элемента твердые растворы делятся на 2 группы: замещения и внедрения.

В твердых растворах замещения атомы компонента В замещают атомы компонента А (основной металл) в узлах кристаллической решетки.

В данном случае мы имеем твердый раствор с ограниченной растворимостью.

Если металлы имеют сходные свойства и одинаковый тип кристаллической решетки с близкими параметрами, то они могут неограниченно растворяться друг в друге, т.е. атомы сорта А могут на 100% заменить атомы сорта В, и наоборот.

В таких случаях говорят, что компоненты неограниченно растворимы друг в друге.

В твердом растворе внедрения атомы растворенного вещества В располагаются в промежутках кристаллической решетки между атомами растворителя А.

Чаще всего это имеет место, когда в металле растворяются неметаллические элементы с малым размером радиуса (H, C, N, B и т.д.)

Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов состояния.

Диаграмма состояния – графическое изображение равновесного превращения, протекающего в сплаве в координатах температура – концентрация.

Диаграммы состояния строят экспериментальным путем при помощи термического анализа.

Отбирают несколько сплавов с различным содержанием компонентов и строят кривые их охлаждения. По остановкам и перегибах на кривых, которые соответствуют критическим точкам определяют температуру начала и конца кристаллизации.

Чистые вещества имеют 1 критическую точку, а сплавы 2, так как температура начала кристаллизации у них разная, а конца одинаковая.

Критические точки переносятся на диаграмму в координатах температура – состав.

После кристаллизации компоненты сплава образуют механическую смесь в виде кристаллизации отдельных компонентов, то ДС имеет следующий вид.

Линия АСВ, которая отвечает началу кристаллизации из жидкого расплава, называется линией ликвидус.

Линия DCE отвечает концу кристаллизации и называется линией солидус.

Ниже ее сплав находится в твердом состоянии.

В промежутках сплавы находятся как в жидком так и в твердом виде.

Сплав, соответствующий точке С, называется эфтектическим.

Превращение жидкости с образованием мех. …

Эфтектика имеет самую низкую температуру плавления.

После кристаллизации сплавы могут образовать твердые растворы.

При неограниченной растворимости компонентов друг в друге в твердом состоянии, диаграмма имеет следующий вид (2).

Линия АСВ – ликвидус, ADB – солидус.

Ниже ее твердый раствор.

Между ними кристаллы ТР и жидкости.

При ограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии, диаграмма может иметь следующий вид (3).

АСВ – ликвидус, ADC – солидус.

α – ТР замещения компонента А в компоненте В

β – ТР компонента В в компоненте А.

На DCE в т. С образуется эфтектика из крист. в ТВ.

При образовании в твердое состояние химического соединения, которое имеет решетку, отличную от решеток компонентов, диаграмма состояния имеет вид (4).

Т. D соответствует химическому соединению.

Линия DE имеет диаграмму на 2 простые эфтектика.

В твердом состоянии компоненты А и В не растворимы друг в друге и с хим. соед.

САМОСТОЯТЕЛЬНО обозначить на диаграмме линии ликвидус, солидус, а также области диаграммы состояния.

Виды отжига.

Отжиг заключается в нагреве стали выше линии gsk (A_c₃, A_c₁) на 30-50˚ С.

Выдержки при данной температуре и медленном охлаждении (вместе с нагревательным устройством).

Различают следующие основные виды отжига:

полный отжиг – нагрев стали до температуры на 30-50 ˚ С выше точки А_с3 с последующим медленным охлаждением. После охлаждения в структуре стали образуются феррит и перлит. Отжигают в основном конструкционные стали для снятия напряжений и уменьшения твердости.
неполный отжиг – нагрев стали на 30-50 ˚ С выше точки А_с1. Отжигают в основном инструментальные стали. В структуре стали наблюдается перлит и цементит.
Диффузионный отжиг (гомогенезация) – производится при температурах 1100-1200˚ С для устранения структурной неоднородности.

Отжиг длится очень долго – в течение 30-50 часов.

Нормализация стали.

Нагрев стали до температуры выше линии gsE на 30-50˚ С.

Выдержки при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

При нормализации стали имеют ту же структуру, что и при обжиге, но более дисперсную.

Закалка стали.

Нагрев стали выше линии gsk на 30-50˚ С ( ) с последующим быстрым охлаждением.

Цель закалки – получение высокой твердости и заданных физико-механических свойств.

Способность стали закаляться на определенную глубину называется прокаливаемостью.

Способность стали принимать закалку возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода менее 0, 3 % сталь не закаливается.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке (нагрев выше точки А_с3 на 30-50˚ С)

После охлаждения в структуре образуется мелкоигольчатый мантерсит и остаточный аустенит (1-2%).

Заэвтектоидные стали подвергают полной закалке. (выше точки А_с1 на 30-50˚ С).

Структура этих сталей состоит из мантерсита и цементита.

При закалке в качестве охлаждающей среды чаще используют воду с добавками солей и щелочей.

Для увеличения эффективности охлаждения применяют масла, расплавленные соли и металлы.

Для закалки существенное значение имеет скорость охлаждения.

Виды закалки:

Закалка в одном охладителе.

Деталь помещают в закалочную среду (вода, масло), где она находится до полного охлаждения. Применяют для углеродистых и легированных сталей

Закалка в 2-х средах (прерывистая).

Деталь помещают в быстроохлаждающую среду (воду), а затем быстро переносят в другую (масло, соль, воздух) с охлаждением до комнатных температур.

Применяют для обработки инструментальных и высоколегированных сталей.

Ступенчатая

Нагретая деталь охлаждается в среде при температуре 230-250˚ С (например в нагретом масле), а затем при небольшой выдержке охлаждается на воздухе.

Обработкой холодом.

Заключается в охлаждении ст. до температуры ниже 0˚ С. Обычно - -70%.

Обработка холодом производится для полного перевода аустенита в мантерсит.

Применяется для высокоуглеродистых сталей и других специальных сталей.

Поверхностная

Нагрев поверхности детали до температур выше точки А_с3 с последующим быстрым охлаждением.

Нагрев изделия производится с большими скоростями.

Например, газопламенной горелкой или ТВЧ.

При этом поверхность изделия быстро нагревается до температур закалки, а сердцевина не успевает нагреться.

Быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

Дефекты закалки

К основным дефектам закалки относятся следующие:

недогрев. нагрев стали ниже критической точки. Дефект исправим, закалку повторяют в соответствии с режимом ТО.
перегрев. сталь нагревают выше температуры критической точки. Перегрев можно устранить отжигом с последовательной закалкой.
пережег. Значительный перегрев стали перед закалкой.

Сталь становится очень хрупкой, так как происходит окисление по границам зерен.

обезуглераживание и окисление поверхности. Происходит при нагреве в пламенных и электрических печах без контролируемой атмосферы.

Для избежания дефектов деталь необходимо греть в специальных печах с защитной по отношению к стали атмосфере.

Закалка стали сопровождается к увеличению объема, что приводит к значительным внутренним направлениям, которые являются причиной образования трещин и коробления.

Трещины – неисправимый дефект.

Коробление в некоторых случаях исправимо.

Отпуск

- нагрев стали до температуры ниже линии А_с1 (PSK) с выдержкой при данной температуре и последующим охлаждением с заданной скоростью обычно на воздухе.

Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости, улучшение физико-механических свойств.

Основное обращение при отпуске – распад мантерсита, т.е. выделение углерода из его пересыщенного раствора в виде мельчайших частичек карбида железа (цементита).

Отпуск всегда проводится после закалки и является окончательной термической операцией.

Различают следующие виды отпуска:

низкий отпуск. Производится при температурах 150-250˚ С с образованием структуры отпущенного мантерсита.

При этом уменьшаются остаточные напряжения. Твердость меняется мало.

средний. Проводится при нагреве стали до температур 350-450˚ С с образованием структуры троостита отпуска.

При этом значительно снижается твердость, заканчивается образование орбидной фазы. Рекомендуется для рессор и пружин.

высокий. Проводится при температурах 500-650˚ С с образованием структуры сорбита отпуска.

Применяют в машиностроении для изделий из конструкционной стали для обеспечения высокой механической прочности и плотности.

Сочетание закалки с высоким отпуском на сорбит называется улучшением стали.

Улучшение проводят для среднеуглеродистых сталей 0, 35-0, 65% С.

Цветные металлы и их сплавы

Алюминий и его сплавы

Алюминий (Al) - металл серебристого цвета, плотность ρ =2, 7 г/см³, t_пл=660˚ С

Имеет ГЦК решетку без аллотропических превращений, обладает высокой электро- и теплопроводностью, хорошей коррозионной стойкостью за счет образования на его поверхности плотного окисла Al₂O₃.

Стоек к концентрированной HNO₃ (азотная кислота)

Ввиду низкой прочности применяют в ненагруженных деталях (фольга, трубопроводы, теплообменники, провода и т.д.)

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в промышленности благодаря малой плотности при достаточно высоких характеристиках прочности, высокой стойкости против коррозии как в атмосферных средах, так и в других средах, хорошими технологическими свойствам (обрабатываемость, свариваемость).

В качестве основных легирующих элементов используется медь, магний, марганец, кремний, цинк.

По технологии изготовления изделий алюминиевые сплавы делят на 2 группы: деформируемые и литейные.

Деформируемые сплавы делятся на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

К термически неупрочняемым сплавам относятся системы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг)

Эти сплавы хорошо обрабатываются давлением, хорошо свариваются, имеют высокую коррозионную стойкость.

Сплавы групп АМц и АМг не упрочняются термической обработкой.

Их прочностные свойства повышают за счет холодного пластического деформирования или наклепа. Из таких сплавов изготавливают емкости, трубопроводы.

Из термически упрочняемых сплавов наибольшее применение получили дуралюмины – это высокопрочные алюминий – медные сплавы с содержанием меди 3 – 5 % с добавками Mg, Si… (по 1 %).

Упрочняющая термическая обработка (закалка) основана на изменении растворимости меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0, 5%, а при температуре 550 ˚ С максимальная растворимость составляет 5, 5%.

Если сплав с максимальным содержанием меди нагреть и быстро охладить, то получим пересыщенный твердый раствор меди в алюминии.

Этот раствор является неустойчивым и распадается с выделением меди. Процесс распада пересыщенного раствора, который образуется в процессе закалки, называется старением.

В результате старения в сплаве образуется зоны, богатые медью, называются зонами Геньо – Престона.

Выделение меди искажают кристаллическую решетку, в нем создаются напряжения, в результате твердость и прочность возрастает, а пластичность понижается.

Если выдержка закаленных сплавов происходит при нормальной температуре, то она называется естественной.

Нагрев закаленных сплавов до 100 – 300 ˚ С и выдержка при этой температуре некоторое время (несколько часов), называется искусственным старением.

Естественное длится 4-5 суток. Существенным отличием естественного от искусственного проявляется в том, что старение не заканчивается на образовании зон Геньо – Престона., а происходит их образование во вторичную фазу CuAl₂, которая называется θ фаза, которая и упрочняет сплав.

Наибольшее применение в технике получил дуралюмин Д16.

Высокопрочные сплавы – сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu, например В95.

Прочностные свойства приобретаются после закалки 470˚ С и искусственного старения в течении 16 ч.

Сплавы применяют для высоко нагруженных деталей.

Литейные сплавы.

Наибольшее распространение получили силумины (Si = 13%).

Их используют для деталей турбо…, компрессоров.

Медь и ее сплавы.

Медь – (Cu) - металл красного цвета ρ =8, 9 г/см³ t_пл=1083˚ С

Имеет ГЦК решетку без аллотропических превращений.

Медь обладает высокой теплопроводностью, пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью, текучестью, хорошо обрабатывается давлением, хорошо паяется.

М0 – самая чистая медь (0, 05% примесей), М1 – 0, 1 % примесей, М2 – 0, 2% примесей и т.д.

Медь широко используется для изготовления проводников тока, кабелей шин в электротехнике и т.д.

Недостаток – малая прочность, поэтому медь легируют.

Медные сплавы.

Латуни – сплавы меди с цинком.

Подразделяются на литейные …

Бывают однокомпонентные и многокомпонентные.

Л70 (70% меди 30% цинка)

Если латуни сложного состава, то после буквы Л ставят условное обозначение этих элементов, цифры.

Обозначение элементов: С (свинец), Ж (железо), А (алюминий), Мц (марганец), Н (никель), К (кремний)

ЛАЖМЦ 66-6-3-2

Латунь – 66%

Алюминий – 6%

Железо – 3%

Марганец – 2%

Цинк – 23%.

Латуни, содержащие …, обладают высокой пластичностью и их с давних пор применяют для изготовления гильз. Латуни с содержанием цинка более 40% в технике применяют ввиду малой прочности и пластичности.

Для повышения прочности латуни легируют кремнием, марганцем, железом (от 1 до 3 %), добавляют 1-2% свинца.

Медный сплав с содержанием 20% цинка и 15% …, называют найзинбером.

Медный сплав (25-35% никеля) – никелин.

Обладает высоким электросопротивлением.

Применяется в производстве реостатов. Сплав меди с 30% никеля и по 1% … и Мц называется мельхиором.

Обладает хорошей пластичностью, коррозийной стойкостью.

Изготавливают детали, работающие в морской воде.

Изготавливают детали, работающие на трение, контакты электрооборудования.

Алюминиевые бронзы – сплавы меди (9-14% алюминия) и добавками железа, марганца …

Обладают высокими механическими свойствами, хорошими литейными свойствами, жаропрочностью и жарстойкостью.

Бронзы – сплавы меди со всеми другими элементами, кроме цинка, однако цинк может быть легирующей добавкой.

Названия по основным легирующим элементам: оловянистые, алюминиевые, берилистые и т.д.

Бр – затем буквы и цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов.

Ф(фосфор)

Ц(цинк)

Х(хром)

Б(бериллий)

Ц(цирконий)

К(кремний)

БрОЦС 6-63

(Sn – 6%, Zn – 6%, Pb – 3%, Cu – 8, 5%)

Оловянистые бронзы – сплавы меди с содержанием меди до 20 %.

Одной из самых распространенных является бронза …

Изготавливают детали, работающие на трение (шестерни, колеса, втулки кранов и т.д.)

бериллиевые бронзы (2, 5% бериллия).

Устойчиво работают до 350˚ С, обладают хорошей электро- и теплопроводностью и способностью не искрить при ударе.

Из этих бронз изготавливают особо ответственные детали, которые работают при больших скоростях, высоких давлениях, температурах. Однако они дорогостоящи.

Хромистые Бр (…% хрома)

Их легируют серебром (0, 2%). Хорошо сплавляются сос талью, что позволяет использовать их для получения биметаллов.

Такие биметаллы применяют в … устройствах и изготавливают огневые стенки камер сгорания.

Титан и его сплавы.

Титан (Ti) – металл серебристо-белого цвета.

ρ =4, … г/см³ t_пл=1672˚ С

Сочетание легкости и тугоплавкости делают титан очень полезным материалом.

При обычных температурах … титан является коррозионной стойкостью.

Однако нагрев его до температуры 500˚ С делают его активынм металлом, что является неплохой предпосылкой для легирования металла.

Особо опасен для титана водород, который охрупчивает его.

Самое основное свойства: полиморфизм.

ГПУ ОЦК

Легирующие элементы на темп. полиморф. превр. влияют следующим образом:

1 группа. Стабилизируют α форму Ti повышает температуру α -β перехода. Из металлов алюминий, гандий. Из неметаллов – кислород, азот.

2 группа β стабилизация.

β – элементы понижают α -β переходы. Хром, ванадий, молибден, медь …

3 группа Элементы, слабовлияющие на температуру полиморфного превращения.

Их называют нейтральными упрочнителями. Свинец, цирконий, германий, торий.

Титановые сплавы подразделяются на 3 группы:

1 группа α – сплавы

2 группа α +β сплавы

3 группа β сплавы

Сплавы 1-ой группы – ВТ4, ВТ5, ВТ 18 и другие. (высокопрочный титановый сплав).

…

Сплавы 2-ой группы – ВТ8, ВТ6, ВТ14 содержат Al, Va, Mb

Они характеризуются более высокой прочностью. Но более хрупкие, чем α - сплавы

Сплавы 3-ей группы ВТ22, ВТ15 наиболее пластичны и достаточно прочные. Титановые сплавы применяют в технической промышленности, судостроении, авиационной техники.

…

Свойства титановых сплавов.

Структурно-однофазные титановые сплавы

…

Титан легированный α и β стабилизаторами является двухфазным сплавом …

причем α и β фазы представляют светлые и темные пластины, которые хар-ся между собой.

Механические свойства титановых сплавов.

Наиболее прочными являются β и α +β сплавы.

Титан сильно упрочняют такие элементы какалюминий, кобальт, молибден, марганец, хром.

Количество легирующих элементов, которые вводят в титан образует …, которое обеспечивает оптимальное сочетание прочности и пластичности.

Al – 10% Va – 5%

Сумма легирующих элементов не должна превышать 25-30%.

Наиболее показательна для механических свойств титановых сплавов такая характеристика, как удельная прочность.

р – плотность.

При одинаковых σ _В удельная прочность титановых сплавов в 2 раза выше, чем у …

Конструкции в 2 раза легче, чем стальные.

…

Магний и его сплавы.

Mg является самым легким конструкционным металлом. ρ =1, 74 г/см³ t_пл=650˚ С

Имеет ГПУ решетку без аллотропических превращений.

Обладают высокой удельной прочностью. При нагревании магний легко окисляется и воспламеняется.

Ввиду недостаточной прочности, низкой коррозионной стойкости …

… для этого используют его сплавы.

К основным легирующим элементам относятся алюминий, цинк, марганец.

Деформируемые сплавы.

Деформируемые сплавы подвергают ковке и штамповке при 300-400˚ С.

Изготавливают трубы и профили различной сложности.

Сплавы МА-8, МА-10 обладают высокой коррозионной стойкостью за счет легирования марганцем (около … %)

Применяют для малонагруженных деталей: топливные баки, детали самолетов и машин.

Некоторые высокопрочные сплавы (МА-5) подвергают термической обработке. Применяют такие сплавы для сильно нагруженных деталей.

К литейным сплавам относятся магний-алюминий-цинк.

МЛ-3, МЛ-5

Из этих сплавов изготавливают детали методом литья.

При замене алюминиевых сплавов магниевыми снижаются масса детали, вибрационная прочность в 20 раз больше, чем у легированных сплавов.

Конструкционные пластмассы.

Пластическими массами называются искусственные материалы на основе высокомолекулярных органических соединений – полимеров.

Пластмассы, состоящие из одного вещества полимера, называются простыми. (полиэтилен, полистирол и т.д.)

Пластмассы, состоящие из нескольких веществ, называются сложными или композиционными. (текстолит, стеклотекстолит и т.д.)

Синтетические полимеры (основу пластмассы) получают полимеризацией и поликонденсацией.

Полимеризация – соединение мономерных простых молекул в полимерные за счет перераспределения связей в молекуле мономера.

Этилен.

(CH₂=CH₂)→ - CH₂ – CH₂ – CH₂ - …→ ( - CH₂ – CH₂ - )_n

n – степень полимеризации.

Название полимера в этом случае слагается из названия мономера и приставки «поли».

Совместная полимеризация 2-х или нескольких полимеров называется сополяризацией, а продукт сополимером.

Поликонденсация – образование высокомолекулярных соединений … с выделением побочных продуктов (вода …)

Название складывается из названий простых продуктов + «смола»

По отношению к нагреву пластмассы (полимеры) подразделяют на: термопластичные (термопласты), термореактивные (реактопласты), термостабильные.

Термопласты – такие пластмассы, полимер в которых после многократного нагрева и охлаждения не изменяет своих свойств и состава. При этом температура нагрева не превышает температур деструкции.

С повышением температуры эти пластмассы переходят в высокопластичное состояние и далее вязкотекучее.

Макромолекулы термопластов состоят из линейных и разветвленных цепей.

А – А – А – А – А … - линейная

А – А – А – А – А – разветвленная

А – А – А

Чем … … поэтому разветвленный полимер более мягок и пластичен, чем линейный.

Термореактивными называются пластмассы, полимер в которых необратимо изменяет свойства …

Такие пластмассы характеризуются сетчатым или пространственным строением, т.е. они характеризуются связями между основными цепочками.

К термостабильным относятся пластмассы, которые не изменяют своих свойств до высоких температур, вплоть до температур деструкции. (например фторопласт).

Выдавливание и экструзия.

Экструзия применяется для получения труб, профилей различного сечения…

Выдавливание осуществляется на специальных червячных машинах – экструдерах.

Гранулированный или порошковый термопласт из бункера попадает в цилиндр и перемещается в зону нагревателя. Здесь он переходит в вязко-текучее состояние и непрерывно выдавливается через калиброванное отверстие. Изделие охлаждается водой, сматывается и разрезается.

Пневматическое формование.

Листовые заготовки с помощью уплотн. посредством резиновых колец укрепляют на матрице. Нагревают до заданной температуры, а затем через коллектор подают сжатый воздух, который и формует изделие, прижимая его к полости матрицы.

Изготавливают банки, бутылки, и т.д.

Вакуумное формование.

Применяют для изготовления изделий в форме тел вращения малой глубины.

Формование происходит в связи с разрешением, которое создается в полости между заготовкой и поверхностью матрицы в процессе откачки воздуха из полости матрицы.

Штамповочное формование.

Штамповка – формование изделий из листовых термопластов в формах штампов в результате контакта материала с пуансоном в матрице.

Пуансон может быть жестким (металлическим) или пластичным (из полиуретана).

Состав резин.

Содержание каучука в резине до 95%.

Другими компонентами, входящими в состав резины является следующие вулканизирующие вещества (в основном сера).

Вводятся в процессе вулканизации для придания резине лучших физико-механических свойств.

Исходные вещества, из которых изготавливается резина, содержащие двойные связи, могут …

Процесс взаимодействия вулканизатора серы с каучуком в процессе нагрева с образованием резины.

При вулканизации нитевидные макромолекулы каучука образуют макромолекулы с сетчатой структурой за счет сшивания молекул через атом серы.

Каучук с содержанием серы от 0, 3 до 5 % образует мягкую резину, а с 30-40% серы твердую резину. Она называется эбонит.

Наполнители придают резине необходимые свойства.

Снижение прочности и эластичности резины под действием кислорода, воздуха и света называется старением резины, поэтому в состав резины добавляют противостарители: вазелин, парафин и т.д.

Пластификаторы придают резине пластичность и морозостойкость.

Красители (охра, ультрамарин) для придания дизайна.

КММ армированные волокнами.

В них эффективно используются высокие механические свойства волокон.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒