42. Свойства железа (чугуны).
Физические свойства железа. Способность растворять углерод и другие элементы - основа для получения разнообразных железных сплавов.
Физические свойства железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемую красноломкость, фосфор - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа. Снижение содержания примесей приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.
В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5- 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.
Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной, перлитной, перлитно-ферритной и ферритной. Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун, способствуют графитизации, другие - препятствуют. Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремний, наименьшее - кобальт и медь.
Наиболее сильно задерживают процесс графитизации сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.
41. Триботехнические свойства материалов.
Зависимость триботехнических характеристик от скорости скольжения на воздухе в значительной мере определяются свойствами (составом, толщиной, прочностью) оксидных пленок, поскольку скорость скольжения, определяя температуру в контакте, определяет вид оксидной пленки и влияет на ее толщину. В случае малых скоростей скольжения на воздухе образуется недостаточная по толщине пленка и происходит интенсивное разрушение рабочей поверхности, при этом увеличивается сила трения. Когда возрастает скорость скольжения, образуется толстая оксидная пленка, защищающая поверхность от непосредственного металлического контакта, и заметно уменьшается сила трения.
При трении стали в вакууме принципиально изменяется характер фрикционного взаимодействия. Усиление адгезионного взаимодействия способствует активному протеканию в зоне контакта тепловых и деформационных процессов, приводящих к изменению фазового состава и к упрочнению поверхностного слоя. Поэтому фрикционные характеристики стали в вакууме будут определяться свойствами поверхностного слоя, приобретенными в процессе трения.
Характерным для трения в вакууме является наличие интервала скоростей скольжения (0,1 -1,3 м с), в котором сила трения в установившемся режиме оказывается в 1,8-2,5 раза меньше, чем при больших скоростях скольжения. Образующийся при трении стали в вакууме упрочненный слой вторичных структур выполняет защитную функцию, уменьшая адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей.
Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов и двигателей в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву и в других областях народного хозяйства.
Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачек в увеличении мощности двигателей, энергетических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.
40. Основы конструирования композиционных материалов.
Композиционный материал – конструкционный материал, в котором имеются усиливающие его элементы в виде нитей, волокон или хлопьев более прочного материала. Примеры композиционных материалов: пластик, армированный борными, углеродными, стеклянными волокнами, жгутами или тканями на их основе; алюминий, армированный нитями стали, бериллия.
Типы композиционных материалов
1)Композиционные материалы с металлической матрицей
2)Композиционные материалы с неметаллической матрицей
Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними.
Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.
Свойства матрицы определяют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивление усталостному разрушению.
Классификация композиционных материалов
1) Волокнистые композиционные материалы
2) Дисперсно-упрочненные композиционные материалы
3) Стекловолокниты – это композиция, состоящая из синтетической смолы, являющейся связующим, и стекловолокнистого наполнителя.
4) Карбоволокниты представляют собой композиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителей в виде углеродных волокон.
5) Карбоволокниты с углеродной матрицей
6) Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон.
7) Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей в виде синтетических волокон.
39. Дс сплава с перитектическим превращением компонентов.
Металлы А и В полностью взаимно растворимы в жидком состоянии и частично в твёрдом.
При перитектическом превращении жидкость реагирует с уже образовавшимися кристаллами. В результате этой реакции возникают новые твёрдые кристаллы.
На ДС линия АСВ – ликвидус, ADPB – солидус.
38. Полимерные материалы и пластические массы.
Полимеры – химические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся группировок. Атомы, входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и координационных валентностей.
По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы.
Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных звеньев, называются гомополимерами.
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных звеньев, называются сополимерами.
Некоторые свойства полимеров, например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих с макромолекулами.
Важнейшие характеристики полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое распределение, степень разветвлённости и гибкости макромолекул, стереорегулярность и др.
Пластические массы – полимерные материалы, формуемые в изделия в пластическом или вязкотекучем состоянии обычно при повышенной температуре и под давлением. В зависимости от характера процессов, сопутствующих формованию изделий, Пластмассы делят на реактопласты и термопласты. К числу реактопластов относят материалы, переработка в изделия которых сопровождается химической реакцией образования сетчатого полимера — отверждением. В обычных условиях находятся в твердом стеклообразном или кристаллическом состоянии. Помимо полимера могут содержать твердые или газообразные наполнители и различные модифицирующие добавки, улучшающие технологические и эксплуатационные свойства.
37. Дс сплава, компоненты которого образуют химические соединения.
Диаграмма состояния сложная, состоит из нескольких простых диаграмм. Число компонентов и количество диаграмм зависит от того, сколько химических соединений образуют основные компоненты системы.
Число фаз и вид простых диаграмм определяются характером взаимодействия между компонентами:
Эвт1 (кр. А + кр. AmBn);
Эвт2 (кр. B + кр. AmBn).
36. Правило фаз Гиббса.
Правило фаз Гиббса определяет соотношение между числом фаз (Ф), компонентов (К), внешних переменных (П) и числом степеней свободы или вариантности (С) термодинамической системы, находящейся в равновесии и записывается следующим образом:
С = К + 2 – Ф;
Цифра 2 в правиле фаз связана с существованием 2-х переменных (температуры и давления), одинаковых для всех фаз. Например, правило фаз Гиббса для постоянного давления запишется как:
С = К +1 – Ф
В этом виде правило фаз применяется для анализа диаграмм фазового равновесия. В случае С = 0 систему принято называть нонвариантной. Она может существовать только при неизменных условиях. Изменение хотя бы одного из параметров системы вызовет изменение числа сосуществующих в системе фаз. При С=1 система моновариантна. В этом случае только один параметр может быть изменен без одновременного изменения числа фаз; при С = 2 система дивариантна и т. д.
Правило фаз справедливо, если фазы однородны во всем объеме, имеют достаточно большие размеры и отсутствуют полупроницаемые перегородки. Если в системе не происходит химических превращений, то число независимых компонентов равно числу простых веществ, из которых состоит смесь. Если в системе возможны химические взаимодействия, то условия равновесия включают уравнения химических реакций.
Правило фаз Гиббса является основой физико-химического анализа сложных систем, используется для классификации различных случаев химического равновесия.
35. Дс сплава с полиморфным превращением компонентов.
Полиморфизм - это свойство металлов в зависимости от температуры и давления существовать в состояниях с различными кристаллическими решетками.
Полиморфные превращения одного или обоих компонентов сплава изменяют его структуру и св-ва. Такие превращения происходят во многих промышленных сплавах, например сплавах железа, титана и др.
Диаграмма состояния сплавов, образующих твёрдые растворы с неограниченной растворимостью, в которых один из компонентов А имеет две модификации α и β, представлена на рисунке.
34. Герметизирующие материалы.
Герметики (герметизирующие составы) - пастообразные или вязкотекучие композиции на основе полимеров или олигомеров, отвердевающие (вулканизирующиеся) в зазорах конструкций с образованием эластичных прослоек, предотвращающих утечки рабочих сред. По деформационно-прочностным характеристикам они занимают в номенклатуре машиностроительных материалов промежуточное положение между клеями и резинами. По консистенции герметики могут представлять собой замазки, пасты или растворы в органических растворителях. По упругости герметики подразделяют на эластичные, пластичные и эластопластичные. Кроме того, существуют их классификации по теплостойкости (+50...+70°С, +100...+150°С, свыше +200°С, стойкости к топливам и маслам, а также по методам заполнения зазоров (шпательные, заливочные и т. д.).
Основой наиболее распространенных герметизирующих составов являются синтетические высокомолекулярные каучуки. В зависимости от механизма формирования герметизирующей прослойки различают герметики термореактивные (вулканизирующиеся) и термопластичные (невысыхающие и высыхающие).
Основные эксплуатационные характеристики герметиков: жизнеспособность — период времени до использования, в течение которого сохраняются их технологические свойства; газонепроницаемость при рабочих температурах в различных средах; адгезия к поверхности детали герметизируемого соединения; разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве, плотность герметизирующей прослойки, а также технологичность процесса герметизации.
33. Критические точки на диаграмме «железо-углерод».
Все линии на диаграмме состояния соответствуют критическим точкам. То есть критические точки – это температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в железоуглеродистых сплавах.
Линия ABCD - линия начала кристаллизации сплава (ликвидус), линия AHJECF - линия конца кристаллизации сплава (солидус).
В области диаграммы HJCE находится смесь двух фаз: жидкого раствора и аустенита, а в области CFD - жидкого раствора и цементита. В точке С при содержании 4,3%С и температуре 1130°С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь - ледебурит. Ледебурит присутствует во всех сплавах, содержащих от 2,0 до 6,67% С (чугуны).
Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,0%С).
Линию GS называют линией верхних критических точек, а линию PS -нижних критических точек.
В области диаграммы GSP находится смесь двух фаз - феррита и распадющегося аустенита, а в области диаграммы SEE' - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита.
В точке S при содержании 0,8% С и при температуре 723°С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита - перлит.
Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и образованию перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.
43. Композиционные материалы.
Композиционный материал — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связи между ними. Эффективность и работоспособность материала зависят от правильного выбора исходных компонентов и технологии их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между компонентами при сохранении их первоначальных характеристик.
В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется комплекс свойств композиции, не только отражающий исходные характеристики его компонентов, но и включающий свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения.
В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем, композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и др.