Лахтин_Матеориаловедение

свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3 % заметно уменьшаются σΒ, σ0,2, KCU, а порог хладноломкости t50 повышается даже при увеличении пористости более 2 %. С повышением содержания кислорода более 0,01 % снижается KCU и повышается t50.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоконагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкционная сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4,

АЛПЖ12-4, БрПБ—2, БрПО10—2, БрПО10ЦЗ—3, ЛП58Г2-2 и др.)

нашли широкое применение в приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы указывают класс материала («Ал» — алюминий, «Б» — берилий, «Бр» — бронза, «Л» — латунь и т. д.), буква «П» — порошковый сплав и число после дефиса — плотность материала в процентах. Буквы («Д» — медь, «Ж» — железо, «Г» — марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью, коррозионной СТОЙКОСТЬЮ, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокращению или полному исключению механической обработки. Вследствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы (цилиндрические, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма детали должны позволять равномерно заполнять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распределение напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы достоинства и недостатки порошковой металлургии?

2.Какие Вы знаете порошковые антифрикционные и фрикционные материалы?

3.Как влияет пористость на механические свойства порошковых материалов?

4.Опишите свойства, технологию обработки и применение конструкционных порошковых материалов.

431

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Башнин Ю. А., Ушаков Б. К., Секей А. Г. Технология термической обработки. М.: Металлургия, 1986. 424 с.

Бернштейн М. Л. Прочность стали. М.: Металлургия, 1974. 199 с.

Бернштейн М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.:

Металлургия, 1968. Т. 1. 586 с. Т. 2. 575 с.

Бернштейн М. Л., Займовский В. А. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1979. 494 с.

Бокштейн С. 3. Строение и свойства металлических сплавов. М.: Металлургия, 1971. 496 с.

Бунин К. П., Баранов А. А. Металлография. М.: Металлургия, 1970. 253 с. Геллер Ю. А. Инструментальные стали. 5-е изд. М.: Металлургия, 1983. 526 с.

Геллер Ю. А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. 2-е изд. М.: Металлургия, 1983. 384 с.

Гольдштейн М. И., Фарбер В. М. Дисперсионное упрочнение стали. М.: Металлургия, 1979. 208 с.

Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1985. 407 с.

Гольдштейн Ж. И., Литвинов В. С, Бронфин Б. М. Металлофизика высокопрочных сплавов. М.: Металлургия, 1986. 312 с.

Гудремон Э. Специальные стали/Пер. с нем. М.: Металлургиздат, 1959. Т. 1. 801 с. Т. 2. 1938 с.

Гуляев А. М. Металловедение. 5-е изд. М.: Металлургия, 1977. 664 с.

Гуляев А. П. Чистая сталь. М.: Металлургия, 1975. 183 с.

Дубинин Г. А., Авраамов Ю. С. Конструкционные проводниковые и магнитные материалы. М.: Машиностроение, 1973. 295 с.

Дьяченко С. С, Рабухин В. Б. Физические основы прочности металлов. Харьков: Вища школа, 1982. 194 с.

Журавлев В. Н., Никонова О. И. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. 380 с.

Золоторевский В. С. Механические испытания и свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. 350 с.

Козловский И. С. Химико-термическая обработка шестерен. М.: Машиностроение, 1970. 232 с.

Контроль качества термической обработки стальных полуфабрикатов и деталей: Справочник/Под ред. В. Д. Кальнера. М.: Машиностроение, 1984. 383 с.

Колачев Б. А. Основы физики металлов. М.: Машиностроение, 1974. 152 с. Колачев Б. А., Габидулин Р. М., Пигузов Ю. В. Технология термической

обработки цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 279 с.

Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1981. 413 с.

Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1977. 359 с.

Лахтин Ю. М., Арзамаеов Б. Н. Химико-термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1985. 256 с.

Лахтин Ю. М., Коран Я. Д. Азотирование стали. М.: Машиностроение, 1976. 256 с.

Ляхович Л. С. Специальные стали. Минск: Высшая школа, 1985. 208 с. Материаловедение/Под ред. Б. Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1986. 383

с.

Мальцев М. В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1970. 367 с.

Методы повышения долговечности деталей машин/В. Н. Ткачев, Б. М. Фиштейн, В. Д. Власенко и др. М.: Машиностроение, 1971. 273 с.

Натапов Б. С. Термическая обработка металлов. Киев: Высшая школа, 1980. 288 с.

432

Новиков И. И. Дефекты кристаллического строения металлов. М.: Металлургия, 1983. 232 с.

Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986. 480 с.

Новиков И. И., Портной В. К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 с.

Пастухова Ж. П., Рахштадт А. Г. Пружинные сплавы. М.: Металлургия, 1979. 334 с.

Пикеринг Ф. Б. Физическое металловедение и разработка сталей/Пер. с англ. М.: Металлургия, 1982. 183 с.

Портной К. И., Бабич Б. Н. Дисперсно-упрочненные материалы. М.: Металлургия, 1974. 199 с.

Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд. М.: Металлургия, 1982. 496 с.

Романив О. Н. Вязкость разрушения конструкционных сталей. М.: Металлургия, 1979. 176 с.

Смирягин А. П., Смирягина Н. А., Белова А. В. Промышленные цветные металлы и сплавы. М.: Металлургия, 1974. 488 с.

Справочник металлиста. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1976. Т. 2. 720 с. Термическая обработка в машиностроении: Справочник/Под ред. Ю. М. Лах-

тина, А. Г. Рахштадта. М.: Машиностроение, 1980. 784 с.

Трение, изнашивание и смазка: Справочник/Под ред. И. В. Крагельского. М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1. 188 с.

Ульянин Е. А., Свистунова Т. В., Левин Ф. П. Коррозионно-стойкие сплавы на основе железа и никеля. М.: Металллургия, 1986. 262 с.

Ульянин Е. А. Коррозионные стали и сплавы. М.: Металлургия, 1980. 208 с. Уманский Я. С, Скаков Ю. А. Физика металлов. М.: Атомиздат, 1978. 351 с. Шепеляковский К. 3. Упрочнение деталей машин поверхностной закалкой при

индукционном нагреве. М.: Машиностроение, 1972. 287 с.

Штремель М. А. Прочность сплавов. Дефекты решетки. М.: Металлургия, 1982. 278 с.

Ч А С Т Ь II НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Г Л А В А XXVI. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

К неметаллическим материалам относятся полимерные материалы органические и неорганические: различные виды пластических масс, композиционные материалы на неметаллической основе, каучуки и резины, клеи, герметики, лакокрасочные покрытия, а также графит, стекло, керамика.

Такие их свойства, как достаточная прочность, жесткость и эластичность при малой плотности, светопрозрачность, химическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти материалы часто незаменимыми. Также следует отметить их технологичность и эффективность при использовании. Эти материалы находят все большее применение в различных отраслях машиностроения.

Основой неметаллических материалов являются полимеры, главным образом синтетические. Создателем структурной теории химического строения органических соединений является А. М. Бутлеров (1826—1886 гг.). Промышленное производство первых пластмасс (фенопластов) — результат работ, проведенных Г. С. Петровым (1907—1914 гг.). С. В. Лебедевым впервые в мире осуществлен промышленный синтез каучука (1932 г.). Н. Н. Семеновым разработана теория цепных реакций и распространена на механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Кобеко, В. А. Картина, А. П. Александрова, С. С. Медведева, С. Н. Ушакова, В. В. Коршака и др. Развитие термостойких полимеров связано с именем К. А. Андрианова.

В области создания полимерных материалов большой вклад внесен зарубежными учеными: К. Циглером (ФРГ), Д. Наттом (Италия) и др.

1. ПОНЯТИЕ О НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛИМЕРОВ

Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры. Молекулярная масса их составляет от 5000 до 1 000 000. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом этих молекул, но и их взаимным расположением и строением.

434

Макромолекулы полимера представляют еобой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в несколько тысяч раз больше их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость (которая ограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих из нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимеров.

Атомы, входящие в основную цепь, связаны прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химических связей составляет 330—360 кДж/моль, силы межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую природу, значительно меньше (5— 40 кДж/моль). Наиболее сильные межмолекулярные взаимодействия осуществляются посредством водородных связей (до 50 кДж/моль). Сцепление молекул материала за счет сил притяжения называется когезией. Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров (полимеры) или разнородных звеньев (сополимеры).

Большое значение имеет стереорегулярность полимера, когда все звенья и заместители расположены в пространстве в определенном порядке. Это придает материалу повышенные физико-механические свойства (по сравнению е нерегулярными полимерами).

Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук, целлюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.

Классификация полимеров. Для удобства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементо-органические, неорганические.

Органические полимеры составляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они называются карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемость, атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, A1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН3, С6Н5, СН2). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не

435

встречается. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

Всиликатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединены ковалентными связями (Si—О), а цепи между собой — ионными связями. Неорганические полимеры отличаются более высокой плотностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла и керамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки. К неорганическим полимерам относится также графит, представляющий собой карбоцепной полимер.

Втехнических материалах используют отдельные виды полимеров и сочетание различных групп полимеров; такие материалы называют композиционными (например, стеклопластики).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис. 199, а).

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

436

Разветвленные макромолекулы (рис. 199, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера (рис. 199, в) состоит из двух цепей, соединенных химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жесткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жесткостью, они нерастворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганиче-ские полимеры).

Пространственные или сетчатые полимеры образуются при соединении («сшивке») макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки (рис. 199, г). Редкосетчатые (сетчатые) полимеры теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины). Густосетчатые (пространственные) полимеры отличаются твердостью, повышенной теплостойкостью, нерастворимостью. Пространственные полимеры лежат в основе конструкционных неметаллических материалов. К сетчатым полимерам относятся также пластинчатые (паркетные) полимеры (рис. 199, д, графит).

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические.

Впервые в работах В. А. Каргина, А. И. Китайгородского и Г. Л. Слонимского (1957 г.) показано, что макромолекулы в полимерах расположены не хаотично, а имеют упорядоченное взаимное расположение. Структуры, возникающие в результате различной укладки молекул, называют надмолекулярными. Упорядоченность в структурообразовании определяется гибкостью линейных и разветвленных макромолекул, способностью их менять форму, перемещаться по частям; большое влияние оказывают жесткость цепи и силы межмолекулярного притяжения. Впоследствии эти представления получили дальнейшее развитие. Однако вопрос о надмолекулярных структурах в аморфных полимерах окончательно не сформулирован.

Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки. Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.

Некоторые аморфные полимеры могут быть также построены из свернутых в клубки цепей, так называемых глобул. Глобулярная структура полимеров дает невысокие механические свойства (хрупкое разрушение по границам глобул). При повышенных температурах глобула разворачивается в линейные образования, способствующие повышению механических свойств полимеров. Структуры в этих полимерах флуктуационны, термодинамически

437

нестабильны и характеризуются относительно небольшим

временем жизни. Кристаллические

полимеры образуются в том случае, если их макромолекулы достаточно гибкие и имеют регулярную структуру. Тогда при соответствующих условиях возможны фазовый переход внутри

пачки и образование пространственных решеток кристаллов. Гибкие пачки складываются в ленты путем многократного

поворота пачек на 180°. Затем ленты, соединяясь друг с другом своими плоскими сторонами, образуют пластины (рис. 200, а). Эти пластины наслаиваются, в результате чего получаются правильные кристаллы.

В том случае, когда образование из более мелких структурных элементов правильных объемных кристаллов затруднено, возникают сферолиты (рис. 200, б). Сферолиты состоят из лучей, образованных чередованием кристаллических и аморфных участков. В процессе ориентации гибкоцепных полимеров получаются фибриллярные структуры, состоящие из микрофибрилл (рис. 200, в). Между кристаллитами находятся аморфные участки.

Кристаллические структуры являются дискретными, организованными, термодинамически стабильными. В отсутствие внешних силовых полей время жизни τ → ∞ (полиэтилен, полипропилен, полиамиды и др.). Кристаллизация происходит в определенном интервале температур. В обычных условиях полной кристаллизации не происходит и структура получается двухфазной. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей — разобщенных центров распределения положительных и

438

отрицательных зарядов. Первым условием полярности является присутствие в полимере полярных связей (группировок — Сl, —F,

—ОН), вторым — несимметрия в их структуре. По полярности связи С—Н < С—N < С—О < С—F < С—Сl. В неполярных полимерах дипольные моменты связей атомов взаимно компенсируются .

Неполярные полимеры (на основе углеводородов) являются высококачественными высокочастотными диэлектриками, они обладают хорошей морозостойкостью. Полярность сообщает полимерам жесткость, теплостойкость, но морозостойкость у полярных материалов низкая.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми. Отвержденное состояние полимера называется термостабильным.

2. ОСОБЕННОСТИ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХМАТЕРИАЛОВ

Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость.

Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физикомеханических свойств полимерных материалов. Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем.

Стеклообразное состояние — твердое, аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит).

Высокоэластическое состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться).

439

Вязкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула). С изменением температуры линейный или разветвленный полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редкосетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластическом состояниях. Различные физические состояния полимера обнаруживаются при изменении его деформации е температурой. Графическая зависимость деформации, развивающейся за определенное время при заданном напряжении, от температуры называется

термомеханической кривой (рис. 201). На кривых имеются три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Средние температуры переходных областей называются температурами перехода. Для линейного некристаллизирующегося полимера (кривая 1) область I — область упругих деформаций (ε = 2÷5 %), связанная с изменением расстояния между частицами вещества. При температуре ниже txp полимер становится хрупким. Разрушение происходит в результате разрыва химических связей в макромолекуле. В области II небольшие напряжения вызывают перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы в результате действия межмолекулярных сил принимают первоначальную равновесную форму. Высокоэластическое состояние характеризуется значительными обратимыми деформациями (сотни процентов). Около точки tТ кроме упругой и высокоэластической деформации возникает и пластическая.

Кристаллические полимеры ниже температуры плавления — кристаллизации tK — являются твердыми, но имеют различную жесткость (см. рис. 201, кривая 2) вследствие наличия аморфной части, которая может находиться в различных состояниях. При tK кристаллическая часть плавится и термомеханическая кривая почти скачкообразно достигает участка кривой 1, соответствующего высокоэластической деформации, как у некристаллического полимера.

440