VI. Модуль 6 Cпециальные стали. Композиционные материалы. Полимерные материалы Конспекты лекций

1. Коррозионностойкие стали.

Коррозия – разрушение метала под воздействием окружающей среды. В зависимости от характера физико-химического воздействия среды различают:

1. химическую коррозию, обусловленную воздействием сухих газов и жидкостей, не являющихся электролитами;

2. электролитическую коррозию, обусловленную воздействием электролитов.

Химическая коррозия – это чаще всего окисление металлов в газовой среде, усиливающееся при повышении температуры. Защита от окисления металлов основана на образовании защитной окисной плёнки на поверхности. Плёнка должна быть прочной, хорошо сцепляться с поверхностью металла, а главное быть сплошной. Материал будет стоек к химической коррозии, если объём образующегося окисла больше объёма металла его образовавшего. Это и есть условие сплошности плёнки окисла. Этим требованием удовлетворяет плёнка оксида хрома Cr2O3, образующая на поверхности сталей с высоким (более 12%) содержанием хрома.

Электрохимическая коррозия – наиболее распостранённый вид коррозии. Разнородные металлы (или участки различных фаз в сплавах), контактируя с электролитом, образуют гальванический элемент. Металл, имеющий более низкий потенциал (анод) отдаёт ионы в электролит и растворяется (корродирует). Чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, тем ниже его коррозионная стойкость. Электрохимическая неоднородность поверхности сплава является причиной коррозии. Чем больше различия электродных потенциалов отдельных структурных состовляющих, тем более сплав склонен к коррозии. Более коррозионно-стойкими являются сплавы со структурой однородного твёрдого раствора.

Различные виды электрохимической коррозии представлены на рис.1.

Равномерная коррозия (а) развивается на поверхности чистых металлов или однородных твердых растворов.

В гетерофазных сплавах развивается местная коррозия (б), охватывающая отдельные участки поверхности с низким электродным потенциалом. К местной коррозии относятся питтинг или точечная коррозия , пятнистая, язвенная. Очаги такий коррозии являются концентраторами напряжения.

В некоторых сплавах границы зерен, обогощенные примесями, имеют низкий электродный потенциал. В них развивается наиболее опасная межкристаллитная коррозия.

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, алюминия, кремния. Алюминий и кремний повышают хрупкость стали, их применяют редко.

Сталь, содержащая более 12% хрома устойчива в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Примерами таких коррозионностойких сталей являются хромистые стали: 08Х13, 20Х13, 40Х13, 65Х13, 95Х18.

Низкоуглеродистые хромистые стали применяют для изготовления деталей конструкций, высокоуглеродистые (40Х13, 65Х13, 95Х18) для различных инструментов (ножи, скальпели). Помимо хрома коррозиостойкие стали могут содержать никель, эти стали называют хромоникелиевые и они весьма распростронены в качестве конструкционных (12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 04Х18Н10, 10Х17Н13М2Т). Эти стали более коррозионностойки чем хромистые и сохроняют эту стойкость при нагреве в отличие от хромистых. Послезакалки хромоникелевые стали имеют структуру однородного аустенита, обеспечивающую их повышенную стойкость.

Рис. 1 Основные разновидности электрохимической коррозии (схемы) и их относительное влияние на прочность листового дуралюминия (графики):

а). равномерная коррозия; б). местная коррозия; в). межкристаллитная коррозия

2. Жаростойкие и жаропрочные стали.

Способность материала сопротивляться химической коррозии при высоких температурах называется жаростойкостью.

Способность материала сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью. Жаропрочность в сталях достигается легированием тугоплавкими элементами (хром, ванадий, вольфрам, молибден). Эти элементы затрудняют диффузионные процессы и повышают температуру рекристаллизации. Жаропрочностью обладают также хромоникелевые стали аустенитного класса (диффузия в плотноупакованной решетке ГЦК существенно затруднена). Примеры жаропрочных сталей: 12ХМФ. 08Х12ВНМФ, 12Х18Н10Т, 08Х18Н9.

3. Инструментальные стали.

Общим для всех инструментальных сталей является повышенное содержание углерода, обеспечивающее их прочность, твердость, износостойкость. По назначению они делятся на стали для режущего инструмента, штамповочного и измерительного.

Стали для режущего инструмента различают по теплостойкости – способности сохранять твердость при нагреве: низкой теплостойкости (углеродистые и инструментальные стали У7 … У13) для инструмента, не испытывающего нагрева (Т<2000С напильники, зубила, топоры); полу теплостойкими являются среднелегированные стали (9Х5ВФ, 3Х4В3М3Ф2) с теплостойкостью до 4000С; теплостойкие стали сохраняют свои режущие свойства при температурах до 6000С (быстрорежущие стали Р18, Р9, Р6М5).

Стали для штампового инструмента делят на стали для холодного деформирования (отличаются повышенным содержанием углерода Х6ВФ, Х12, Х12М, ХВГ) и стали для горячего деформирования (5ХНМ, 4ХМФС, 3Х2В2Ф, 4Х2В5МФ как правило среднеуглеродистые, легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием).

Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, стабильностью формы и размеров (У8 … У12, Х, ХГС, ХГВ, 9ХС).

4. Медные сплавы.

Медь – металл с ГЦК решеткой, высоким удельным весом (8,95 г/см3), температурой плавления 10830С. Это пластичный материал с высокой электро- и теплопроводностью, низкой твердостью и прочностью. Обладает высокой коррозийной стойкостью. Из-за низкого предела текучести не применяется в чистом виде как конструкционный материал. В чистом виде медь применяют для изготовления электропроводов (высокая электропроводимость) и теплообменников (высокая теплопроводность). Медь широко применяют как основу конструкционных сплавов: латуней и бронз.

Латунь – двойной или многокомпонентный сплав меди, где основным легирующим элементом является цинк. Латуни подразделят на деформируемые и литейные по способу получения заготовок и изделий. Деформируемые отличаются меньшим количеством легирующих элементов и обладают высокой прочностью на ряду с достаточной прочностью. Из них изготавливают трубы, проволоку, профили, листы. Литейные латуни применяются для получения отливок сложной формы литьем в землю, кокиль, под давлением. Для усиления тех или иных свойств латуни помимо цинка легируют железом, оловом, марганцем, кремнием, алюминием, свинцом.

Деформируемые латуни от литейных легко отличить по маркировке: деформируемая ЛАЖ 60-1-1 (после буквы Л подряд начальные буквы русского названия легирующего элемента (кроме цинка), затем подряд идут группы цифр, указывающие процентное содержание меди и по порядку легирующих элементов (кроме цинка); литейная ЛЦ4ОМ\цЗЖ (после буквы Л идут начальные буквы русского названия легирующего элемента (начиная с цинка) и за буквой цифры, отражающие содержание этого элемента в процентах).

Бронзы – многокомпонентные сплавы меди с другими элементами, где цинк не является основным. Подразделяют бронзы аналогично латуням на деформируемые (БрОЦС 4-4-2,5) и литейные (БрО6Ц6С2). Отличия маркировки деформируемых и литейных бронз такие же как у латуней.

5. Алюминий и его сплавы.

Алюминий – металл с ГЦК решеткой, низким удельным весом (2,7 г/м3) и температурой плавления 6600С. Обладает высокой электро- и теплопроводимостью, коррозийной стойкостью, пластичностью. Из-за низкого предела текучести алюминий в чистом виде как конструкционный материал не используют, а используют для изготовления электропроводов. Широкое применение нашли алюминиевые сплавы.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой.

В этих сплавах содержание легирующих элементов меньше предела растворимости при комнатной температуре (зона I рис. 2). Сплавы эти обладают высокой пластичностью, наибольшей коррозийной стойкостью, но невысокой прочностью. Примерами сплавов этой группы являются сплавы систем Al – Mn и Al – Mg (АМц3, АМг6).

Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

В этих сплавах содержание легирующих элементов больше предела растворимости при комнатной температуре (зона II рис. 2). Примерами сплавов этой группы являются сплавы систем Al – Сu - дуралюмины (Д1, д16). Эти сплавы достаточно пластичны в состоянии перенасыщенного твердого раствора, а при последующей старении (естественном или искусственном) приобретают высокую прочность. Наибольшей прочностью обладают высокопрочные алюминиевые сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu (В95, В96). Самыми легкими являются сплавы системы Al – Mg – Li (1420).

Рис. 2 Типовая диаграмма (схема) состояния системы Al – легирующий элемент (Ме).

Д – деформируемые сплавы, Л – литейные.

I – деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II - деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Литейные алюминиевые сплавы.

Сплавы этой группы должны обладать литейными свойствами: жидкотекучестью, низкой Тпл., усадкой. Это сплавы системы Al – Si силумины, близкие по составу к эвтектическим. Примеры: сплав АК12 (АЛ2, содержит ~ 12% Si), АК9 (АЛ4, содержит ~ 9% Si).

6. Неметаллические материалы.

Полимеры – высокомолекулярные химические соединения, состоящие из многочисленных низкомолекулярных звеньев (мономеров) одинакового строения. Имеют большую молекулярную массу (>5000), соединения меньшей массы называются олигомерами. Большинство полимеров получают искусственным путем, однако, есть и природные: натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест и т. д.. Искусственные полимеры получают полимеризацией: образование длинных цепей из мономеров (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт) и поликонденсаций: образование длинных цепей из мономеров, сопровождающееся выделением побочных продуктов (полиамиды, смолы). По составу полимеры делятся на органические (состоят из углерода, водорода, серы, галогенов); элементоорганические (помимо перечисленных содержит в составе цепи атомы кремния, титана, алюминия и др.); неорганические (не содержат атомов углерода: силикатное стекло, керамика, слюда, асбест).

Свойства полимеров определяются особенностями их химической природы, строения, размеров молекул (при увеличении массы прочность возрастает, а растворимость снижается) Полимеры имеют высокую тепловую усадку, склонность к старению (необратимые изменения свойств под действием температуры, света и т.д.), зависимость свойств от температуры, химическую стойкость( даже если полимер и растворяется в данном веществе, то медленно из-за высокомолекулярного строения и перед растворением сначала набухает); низкие электропроводность, теплопроводность, жесткость (модуль упругости). Механические свойства полимеров сильно зависят от их структуры. Различают следующие типы полимерных структур (рис. 3). Полимеры с линейной структурой обладают большей гибкостью (полиэтилен). Полимеры лестничной структурой характеризуются большей жесткостью, повышенной теплостойкостью. Пространственная структура придает полимерам максимальную жесткость, термостойкость. Такие полимеры широко применяются в качестве конструкционных материалов (фторопласт). По поведению при нагреве полимеры делятся на термопластичные (обратимо изменяют свойства под действием температуры), термопласты имеют линейную или слаборазветвленную структуру и термореактивные (необратимо изменяют свойства при нагреве, приобретают пространственное строение и вытекающие отсюда свойства).

Термопластичные Термореактивные

(реактопласты)

-Полиэтилен Смолы:

-Полипропилен - феноло- формальдегидные

-Полистирол -эпоксидные

-Поливинилхлорид -полиэфирные

-Фторопласт -кремний- органические

-Полиметилметакрилат

(оргстекло)

Рис. 3 Типы структуры полимера:

а– линейная;

б– линейно-разветвленная;

в– лестничная;

г– сетчатая;

д– пространственная.

Полимеры делят на полярные и неполярные. В полярных центры тяжести разноименных электрических зарядов не совпадают (поливинилхлорид, оргстекло, капрон, фторопласт3)Они сравнительно более прочные, жесткие, теплостойкие, но менее морозостойки. В неполярных полимерах центры тяжести электрических зарядов совпадают (полиэтилен, полистирол, полипропилен, фторопласт4).

Полимеры являются основой синтетических материалов – пластмасс. Обычно пластмассы состоят из нескольких компонентов: связующее, наполнитель, пластификатор, стабилизатор, краситель и др. Связующее вещество является обязательным компонентом любых пластмасс, оно скрепляет все компоненты в единый материал. Простые пластмассы состоят только из связующего (полиэтилен). Наполнителями служат материалы, придающие пластмассе те или иные необходимые специальные свойства (твердость, прочность, теплостойкость, антифрикционность, фрикционные свойства и т.д.). Пластификаторы – это низкомолекулярные малолетучие жидкости с низкой температурой плавления. Они снижают жесткость, хрупкость пластмасс, повышают их способность деформироваться. Стабилизаторы – вещества, замедляющие старение пластмасс.

По геометрии наполнителя пластмассы делят на:

-Пластмассы с порошковым (нульмерным, дисперсным) наполнителем.

Связующее- смолы: эпоксидная, фенолформальдегидная, кремнийорганическая

Наполнитель- порошок: древесный, графитный, слюдяной, асбестовый ит.д.

Детали изготавливают методом прессовании композиции из перемешанных компонентов. Для этих пластмасс характерны невысокая прочность, изотропность. Жаростойкость обеспечивают сочетанием кремнийорганической смолы с порошком асбеста или слюды. Область применения- детали общего и электротехнического назначения.

-Пластмассы газонаполненные.

Пенопласты- полимерное связующее образует систему изолированных ячеек, заполненных газом. Обладают высокими плавучестью, тепло и звукоизолирующими свойствами.Чаще всего используют как теплоязолятор, Поропласты-ячейки частично соединены между собой (губка).Это эластичные материалы, хорошо поглощающие звук.

-Пластмассы с волокнистым (одномерным) наполнителем (волокниты).

Связующее- смолы: эпоксидная, фенолформальдегидная, кремнийорганическая

Наполнитель- волокно: стекла, углерода, бора, если волокно органическое: хлопковые очесы, капрон, лавсан- органоволокниты (органиты). Высокая удельная прочность, химическая стойкость, но анизотропия. Примеры: стеклопластик, углепластик, боропластик.

-Пластмассы слоистые.

Связующее- смолы, наполнитель двумерный- ткань, бумага.

Текстолит- слои ткани (детали механизмов втулки, шестерни и т.п.)

Гетинакс- слои бумаги (электрические панели, платы)

В целом пластмассы имеют следующие свойства: высокие - удельная прочность, химическая стойкость, тепло-и электроизоляция; низкие – удельный вес, теплостойкость, сопротивление старению.

Резины – синтетический материал, состоящий из полимера каучука (связующее), наполнителя (сажа, оксид кремния, оксид титана, мел, тальк), пластификатора (канифоль, вазелин), стабилизатора (парафин, воск), вулканизатора (сера, оксид цинка).

В исходном состоянии каучуки представляют собой полимеры с линейной структурой. Это мягкий эластичный материал, ему принадлежит основная роль в формировании свойств резины.

Натуральный каучук (НК) – обладает наилучшим комплексом свойств: максимальные удлиннения при разрыве, морозоустойчивость (-75С), прочность.

Изопреновый каучук (СКИ) – наиболее близок по свойствам к натуральному.

Бутадиеновый (СКБ).

Фторсодержащий (СКФ) – обладает высокой бензомаслостойкостью, но является наименее моростойкими (становятся хрупкими при -25С).

Бутадиеннитрильный (СКН)- бензомаслостойкость

Бутадиенстирольный (СКС)- морозостойкий.

Наполнители резин подразделяют на активные (сажа, оксид кремния – повышают прочность, твердость, сопротивление истиранию) и инертные (мел, тальк – не влияет на твердость, износостойкость, просто удешевляет резину).

Стабилизаторы являются антиоксидантами- они препятствуют процессам окисления резины.

Вулканизаторы резины – это вещества, приводящие к образованию поперечных связей между линейными макромолекулами каучука и образованию сетчатой структуры. Чем больше вулканизатора, тем больше образуется поперечных связей, тем более твердая и менее эластичная резина. При максимуме серы (до 50 %) получают эбонит – твердый материал, хороший диэлектрик. Обычно серы в резине 5…8%. Для ускорения вулканизации вводят ускорители (оксид цинка). Некоторые СК, например, хлоропреновый, вулканизируются путем нагрева.

Процесс изготовления резиновых изделий состоит из ряда операций, выполняемых в строгой последовательности.

Подготовка компонентов.

На этой стадии каучук пластифицируют, пропуская через нагретые валки.

Смещение компонентов.

Здесь соблюдают не только пропорции, но и последовательность введения компонентов: первыми вводят стабилизаторы, последними вулканизаторы, завершается смешиванием.

Коландрование. На этом этапе смесь пропускают в разогретых валках и

получают сырую резину в виде листов, лент различных размеров.

Формирование изделий. Проводят методами прессования или листья под давлением.

Вулканизация. Завершающая операция, формирующая окончательные свойства резины. Чаще всего проводят воздействием температуры.

Резина имеет высокую эластичность, упругость, прочность, электросопротивление, стойкость к истиранию, химическую стойкость, малую плотность. Соответственно резины имеют очень широкую область применения. Их делят на резины общего и специального назначения . Особые свойства последних получают применением соответствующих каучуков: электроизоляционные резины- неполярные каучуки (НК, СКС, СКБ) ;теплостойкие- кремнийорганический каучук.

Композиционные материалы (КМ)

Это материалы, состоящие из двух или более компонентов, объединенных в монолит и сохраняющих индивидуальные свойства. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, называется матрицей. Функции матрицы: объединять в монолит остальные компоненты, воспринимать и равномерно распределять внешнюю нагрузку.

Свойства КМ существенно зависят от природы и строения наполнителя (понятие имеет тот же смысл, что у пластмасс). Наполнитель по своей геометрии может быть ( рис.4): а) нульмерным (порошок), б) одномерным (нить), в) двумерным (полотно).

Рис.4

По схеме расположения наполнители бывают одноосные – нити расположены в одном направлении, двухосные – нити расположены в двух осях (плоское расположение), трехосные (объемные) – нити образуют пространственную решетку (рис.5).

Рис.5

Одноосное расположение обеспечивает максимальную прочность композита (в направлении оси), но максимальную анизотропию свойств. По мере увеличения количества осей прочность уменьшается, но увеличивается изотропность. Наиболее изотропен материал с нульмерным наполнителем. КМ с металлической матрицей и нульмерным наполнителем обычно получают спеканием смеси порошков. Представителями таких КМ являются спеченные алюминиевые пудры (САП-1, САП-2, САП-3). Их получают спеканием частиц алюминия в виде чешуек S ~ 1мкм и диаметром 10-50 мкм. нульмерным наполнителем служат оксиды Al2O3 на поверхности Al частиц. Чем меньше размер Al частиц, тем больше их общая поверхность и, соответственно, количество упрочняющих частиц оксидов Al2O3 (САП-1 – 6% Al2O3, САП-3 – 13…17% Al2O3). Главным эксплуатационным свойством САП является жаропрочность, эффект упрочнения сохраняется до Т ~ 0,8 Тпл. При комнатной температуре прочность сплавов Д19, Д20 выше Сап, а при Т~500С прочность Д20~5МПа, САП-1~80МПа, САП-2~90МПа, САП-3~120МПа.

Сплавы на никелевой основе упрочняются дисперсными частицами диоксидов тория и гафния HfO2 и ToO2, они маркируются ВДУ-1, ВДУ-2, ВДУ-3. Главное их свойство – жаропрочность (работает при Т до 12000С).

Волокнистые КМ

Матрица – работоспособность в эксплуатационном интервале температур.

Низкие температуры – полимеры.

Высокие температуры – металлы, аморфный углерод.

Наполнитель – высокая прочность.

Волокна: стекла, углерода, бора, карбида кремния, карбида бора…, металлическая проволока(Fe, W, Ti, Mo, Be).

КМ с одномерным наполнителем и неметаллической матрицей рассмотрены ранее в разделе пластмасс. КМ с одномерным наполнителем и металлической матрицей чаще всего получают путем пропитки каркаса из более тугоплавких металлических проволок расплавами меди, латуни, алюминия и т.д. КМ с одномерным наполнителем и металлической матрицей обладают следующими свойствами: высокие – прочность вдоль оси, электро -и теплопроводность, термостойкость, анизотропия; низкие – прочность поперек волокон.

№ п/п	Наименование материала	Ơ6,* МПа	ρ, г/см3	Удельная прочность Ơ6/ρ∙g	Удельная жесткость Е/(ρ∙g)103, км	Модуль упругости Е, Гпа
1.	Стеклопластик	1500	1,9	79,0	2 3	45
2.	Боропластмк	1700	2,0	85,0	10,0	200
3.	Углепластик	1600	1,5	107,0	10,6	160
4.	Металлокомпозит (Алюминиевый сплав+стальная проволока, 40%)	1600	4,8	33,0	3,0	144
5.	Боралюминий (Al-сплав + волокна бора, 50%)	1200	2,65	47,5	7,5	210
6	Сталь 08 Ю	320	7,83	4,3	2,7	210
7	Сталь 14Х Г2 САФД	700	7,88	9,4	2,8	220
8.	Титановый сплав ВТ 22	1250	4,45	29,9	2,9	130
S.	Алюминиевый сплав АМгб	430	2,7	17,0	2,7	75

* — прочность композитов в направлении вдоль волокон

Стекло – Стекло представляет собой аморфный материал, получаемый в результате затвердевания расплава кислотных и основных оксидов, среди которых хотя бы один является стеклообразующим В стекле могут присутствовать оксиды трех типов. Стеклообразующие – оксиды кремния, бора, фосфора, мышьяка. Модифицирующие – оксиды щелочных K, Na и щелочноземельных Ca, Mg, Ba металлов, существенно понижают температуру плавления стекла. Промежуточные – оксиды алюминия, свинца, титана, железа – могут замещать часть стеклообразующих оксидов.

Структура и свойства стекла определяются его химическим составом, условиями варки, охлаждения и обработки. Например, повысить механические свойства стекла можно термообработкой – закалкой в масло. Безосколочное стекло триплекс – это комбинированное стекло, состоящее из нескольких закаленных слоев стекла с эластичной прозрачной промежуточной пленкой.

Стекло широко применяют в разных областях благодаря сочетанию физико-химических свойств. Это термопластичный материал: при нагреве стекло размягчается и его легко перерабатывать в различные изделия. При охлаждении ниже температуры стеклования (400…600С) оно становится жестким, твердым и хрупким. Обладает высокими прозрачностью, химической стойкостью, жаростойкостью, теплоизоляционными свойствами, очень хороший диэлектрик .Широко применяют стекло для изготовления всевозможных окон в строительстве, машиностроении. Кварцевое представляет собой однокомпонентное (99% SiO2) стекло и обладает максимальной теплостойкостью (выдерживает перепад температур).Его применяют в химической промышленности, вакуумной технике для изготовления посуды, приборов, электрических ламп. Пеностекло – это застывшая вспененная стекольная масса. Имеет малую плотность, низкую тепло- и звукопроводимость. Ситаллы – стеклокристаллические материалы, получают путем кристаллизации стекла. Обладают очень высокой прочностью (2…3 раза выше стекол), твердостью, износостойкостью. Применяют для изготовления подшипников скольжения, поршней двигателей внутреннего сгорания.