2.3. Эластомеры (э)

Эластомеры – каучукоподобные полимеры и материалы на их основе, обладающие высокоэластическими свойствами во всем диапазоне температур эксплуатации.

Ценные свойства Э:

• высокая эластичность материалов и изделий (_р= 700 – 800%);

• достаточно хорошая (для Э) механическая прочность: с ТУ (технический углерод) _р=20 – 50 МПа. Особенно ценно сочетание высокой эластичности с удовлетворительной (иногда хорошей) прочностью;

• высокая газонепроницаемость;

• высокая химическая стойкость к широкому ряду сред. Черные металлы защищают путем гуммирования (покрытия резиной или эбонитом);

• возможность создания материалов с хорошими диэлектрическими свойствами или – наоборот – электропроводящих материалов (в т.ч. антистатических резин);

• достаточно высокая радиационная стойкость;

• высокая водостойкость.

Недостатки Э (в сравнении с П):

• бόльшая склонность к старению;

• бóльшая сложность утилизации отходов и отслуживших изделий.

4. Неорганические (силикатные) материалы

Технические достоинства:

• относительная доступность и дешевизна;

• высокая химическая стойкость (прежде всего – кислотостойкость);

• относительно высокая прочность при сжатии;

• негорючесть (огнестойкость);

• хорошие оптические свойства силикатных стекол и ситаллов.

Недостатки:

• большая хрупкость;

• невысокая разрывная прочность;

• малая теплопроводность.

3. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ) СОВРЕМЕННЫХ ТИПОВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1. Применение металлов и сплавов

Металлы и их сплавы в настоящее время применяются в следующих направлениях:

• материалы несущих конструкций;

• электро- и радиотехнические материалы;

• антифрикционные материалы;

• фрикционные материалы;

• антикоррозионные материалы и материалы защитных покрытий.

3.1.1. Применение металлов и сплавов в качестве материалов несущих конструкций

В данном разделе целесообразно рассмотреть три вида металлических материалов:

• черные металлы;

• металлические материалы с большой удельной прочностью;

• жаропрочные и жаростойкие материалы.

3.1.1.1. Краткая характеристика черных металлов

В технике черными металлами принято называть сплавы железа с другими элементами, и прежде всего – с углеродом. Производят и применяют 3 типа железоуглеродистых сплавов: стали, чугуны и ферросплавы. Из общего объема выпуска металлических материалов 94 – 95% приходится на черные металлы.

Стали – сплавы железа с углеродом при содержании углерода до 2,14% (округленно до 2%).

Чугуны – сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2%.

Как и другие сплавы, железоуглеродистые сплавы состоят из двух и более элементов, называемых компонентами. Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов (или на базе нового химического соединения) и механические смеси.

Химические соединения образуются на основе общих химических законов (с учетом валентности и типа химической связи), и их состав может быть выражен химической формулой. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и имеют, как правило, кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого элемента в отдельности.

Твердые растворы – сплавы, в которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя. При этом атомы растворимого элемента могут замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними (без образования молекул определенного состава). В сплавах Fe-C атомы углерода внедряются между атомами железа. Состав твердого раствора непостоянен и зависит от температуры и содержания растворимого компонента. Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем.

Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) – микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений.

Эвтектики образуются из жидкого сплава при его охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными и механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной температуре и определенной концентрации компонентов сплава.

Ниже коротко охарактеризованы основные структуры, составляющие железоуглеродистые сплавы.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в -железе. При t = 723С предельное содержание углерода составляет 0,02%. При отсутствии примесей феррит стоек к коррозии.

Цементит (Ц) – карбид железа (Fe₃C) – химическое соединение, содержащее 6,67% углерода. Является составной частью эвтектической смеси, а также самостоятельной структурной составляющей. Ц неустойчив и распадается при термической обработке, очень тверд (НВ=800) и хрупок.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в -железе. Насыщение может быть различным в зависимости от температуры и наличия примесей. А устойчив лишь при высокой температуре, но с примесями Mn, Cr – устойчив при обычной и даже низкой температуре. Твердость аустенита НВ=170-220.

Перлит (П) – эвтектоидная смесь феррита и цементита (Ф+Ц), образуется при распаде аустенита при t = 723С и содержании углерода 0,83%. Примеси Si и Mn способствуют образованию П и при меньшем содержании углерода. Твердость перлита НВ=160 – 260. Структура перлита может быть пластинчатой и глобулярной (зернистой).

Ледебурит (Л) – эвтектическая смесь аустенита и цементита (А+Ц), образующаяся при t =1130С и содержании углерода 4,3%. Структура Л неустойчива: при охлаждении аустенит (А), входящий в состав Л, распадается на вторичный цементит (Ц_II) и перлит (А  Ц_II+П). Ледебурит очень тверд (НВ=700) и хрупок.

Графит – мягкая и хрупкая составляющая чугунов, одна из разновидностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах. Зависящие от содержания углерода названия железоуглеродистых сплавов приведены ниже:

Содержание углерода	Название сплава
Менее 0,83%	доэвтектоидные стали
0,83%	эвтектоидные стали
0,83-2,0%	заэвтектоидные стали
2,1-4,3%	доэвтектоидные чугуны
4,4-6,67%	заэвтектоидные чугуны

С увеличением содержания углерода в сплавах Fe-C меняется структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается содержание феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем больше твердость и прочность, но меньше пластичность. Механические свойства сплавов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.

В целях изменения структуры в желаемом направлении (в сторону улучшения или получения нужных свойств) изделия из металлов подвергают термической (тепловой) обработке. Основными видами термообработки стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

В результате нагревания стали до определенной температуры и последующего охлаждения по заданному режиму возникают новые структуры (мартенсит, троостит, сорбит) со свойствами, отличающимися от свойств структур, которые получились ранее.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe, имеющий игольчатое строение. Сталь в состоянии мартенсита имеет высокую твердость (НВ=600-650) и большую хрупкость.

Троостит – продукт более полного распада аустенита; представляет собой высокодисперсную смесь цементита с ферритом с величиной кристаллов Fe₃C (Ц) в поперечнике 10^-6÷10^-7см.

Сорбит – более грубодисперсная смесь Ц+Ф с размерами зёрен Fe₃C 10^-5 – 10^-4см.

Механические свойства троостита и сорбита зависят от содержания углерода в стали.