- •Москва 2010 Оглавление
- •1. Введение.
- •2. Структура твёрдых тел.
- •2.1. Механизм кристаллизации.
- •2.2. Термодинамика кристаллизации.
- •2.3. Правило фаз Гиббса, фазовые диаграммы.
- •2.4. Процессы структурообразования.
- •2.5. Надмолекулярная структура полимеров.
- •3. Основные свойства материалов.
- •3.1. Механические свойства материалов.
- •3.1.1. Особенности структуры и свойств полимерных материалов.
- •3.2. Теплофизические свойства материалов.
- •3.2.1. Теплоёмкость.
- •3.2.2. Теплопроводность.
- •3.2.3. Температуропроводность
- •3.2.4. Тепловое расширение.
- •3.2.5.Температуры фазовых переходов.
- •3.3. Электрические свойства.
- •3.3.1. Проводники, полупроводники и диэлектрики.
- •3.3.2. Основные электрические характеристики материалов.
- •Эта величина носит название температурный коэффициент диэлектрической проницаемости.
- •3.4. Магнитные свойства материалов.
- •4. Металлические материалы.
- •4.1. Сплавы железо – углерод
- •4.2. Легированные стали.
- •4.3. Термическая и химико-термическая обработка металлов.
- •4.3. Металлические проводниковые материалы.
- •4.3.1. Материалы высокой проводимости.
- •4.3.2. Материалы высокого удельного сопротивления.
- •Металлические материалы для приборов измерения температуры, основанных на тепловом расширении веществ.
- •4.4. Сверхпроводники и криопроводники.
- •4.5. Металлические магнитные материалы.
- •5. Диэлектрические материалы.
- •5.1. Стёкла, ситаллы.
- •5.2. Ситаллы.
- •5.3. Техническая керамика.
- •6.1. Традиционная электротехническая керамика.
- •6.2. Оксидная керамика
- •6.2.1. Керамика на основе ВеО (брокерит, броммелитовая керамика).
- •6.2.2. Керамика на основе МgО (периклазовая керамика).
- •6.2.3. Керамика из оксида алюминия – корундовая керамика.
- •6.2.4. Кварцевая керамика.
- •6.2.5. Керамика из диоксида циркония ZrO2
- •6.2.6. Керамика из оксида иттрия y2o3.
- •6.3. Керамика из бескислородных соединений.
- •6.3.1. Карбиды и карбидная керамика
- •6.3.1.1. Керамика на основе карбида кремния.
- •6.3.1.2. Карбид бора в4с.
- •6.3.1.3. Керамика на основе карбидов d – элементов.
- •6.3.2. Нитридная керамика.
- •6.3.2.2. Нитрид алюминия.
- •6.3.2.3. Керамика на основе нитрида кремния Si3n4
- •6.3.3. Боридная керамика.
- •6.3.4. Силицидная керамика.
- •6.4. Конденсаторная керамика - на основе диоксида титана, титанатов, цирконатов и других соединений с подобными свойствами.
- •6.5. Магнитная керамика
- •7. Полимерные материалы
- •7.1. Термопластичные полимеры.
- •7.1.1. Полиэтилен (пэ).
- •7.1.3. Полистирол (пс)
- •7.1.4. Полиметилметакрилат (пмма).
- •7.1.5. Поливинилхлорид (пвх).
- •7.1.6. Фторопласты.
- •7.1.9. Полиуретаны (пу).
- •7.1.10. Полиимиды (пи).
- •7.1.11. Эфиры целлюлозы (этролы, целлулоид).
- •7.2. Термореактивные полимеры – реактопласты.
- •7.2.1 Фенопласты.
- •7.2.2. Аминопласты (карбамидные пластики).
- •7.2.3. Эпоксидные смолы.
- •7.2.4. Ненасыщенные полиэфирные смолы (пн).
- •7.2.5. Эластомеры (каучуки и резины).
- •7.3. Герметики
- •7.3.1. Вулканизирующиеся, отверждаемые герметики (ог).
- •7.3.2. Высыхающие герметики (вг).
- •7.4. Тепло- и термостойкие полимеры.
- •7.4.1. Карбоциклические полимеры и связующие.
- •7.4.2. Гетероциклические полимеры и связующие.
- •7.5. Полимерные композиционные материалы (пкм).
- •7.6. Полимеры со специфическими свойствами
- •7.6.1. Полимеры со специфическими электрическими свойствами
- •7.6.1.1. Антистатические полимерные материалы.
- •7.6.1.2. Полимерные электреты.
- •7.6.1.3. Полимерные полупроводники и проводники.
- •7.6.2. Флуоресцирующие полимеры.
- •7.6.3. Оптические полимеры.
- •7.6.4. Светочувствительные полимерные материалы.
- •7.6.5. Ионнообменные полимеры.
- •7.6.6. Биодеструктируемые полимеры.
- •7.6.7. Полимерные материалы триботехнического назначения.
- •8. Углеродные материалы и композиции.
- •8.1. Углеродные волокна (ув).
- •8.2. Углепластики (уп).
- •8.3. Композиционные материалы на основе ув и углеродной матрицы
- •9. Полупроводниковые материалы.
- •9.1. Элементарные полупроводники.
- •9.2. Полупроводниковые соединения.
- •10. Технология конструкционных материалов.
- •10.1. Технология металлических материалов.
- •10.1.1. Характеристика литейного произвдства.
- •10.1.2. Обработка металлов давлением (омд).
- •10.1.2.1. Виды обработки металлов давлением.
- •10.1.3. Сварка и пайка металлов и сплавов.
- •10.2. Переработка полимерных материалов
- •10.3. Технология стеклянных материалов.
- •10.3.1. Вытягивание.
- •10.3.2. Прокат.
- •10.3.3. Растекание (флоат – способ).
- •10.3.4. Выдувание.
- •10.3.5. Прессование.
- •10.3.6. Центробежное формование.
- •10.4. Технология керамических материалов.
- •10.4.1. Прессование на механических прессах.
- •10.4.2. Гидростатическое прессование.
- •10.4.3. Литьё в пористые формы.
- •10.4.4 Формование способом выдавливания (пластический способ).
3. Основные свойства материалов.
Основные свойства материалов – механические, электрические, магнитные, теплофизические.
3.1. Механические свойства материалов.
Механические свойства материала проявляются в виде ответной реакции на нагружение и формоизменение, когда в нём возникают внутренние напряжения.
Механические свойства твёрдых тел характеризуются прочностью (сопротивление разрушению), жёсткостью (сопротивление упругой деформации), твёрдостью (сопротивление пластической деформации), ударной вязкостью (сопротивление хрупкому разрушению).
При механических испытаниях используют такие вида нагружения материала как 1) одноосное растяжение, 2) всестороннее сжатие, 3) кручение, 4) изгиб, 5) сдвиг
Наиболее распространённым является испытание материалов на растяжение, выполняемое на разрывных машинах. Результаты эксперимента представляют в виде графика в координатах относительное удлинение % - напряжение в Па. Отностельное удлинение, это отношение приращения длины образца ∆L = (Lэ - L0 ) к исходной длине L0. - это отношение растягивающего усилияF к площадт поперечного сечения образца S. F/S = На рис.3.1 представлены диаграммы растяжения разных материалов – керамики, металла, стеклообразного полимера, эластомера.
На первом участке (ОА) напряжение пропорционально деформации: = Е (закон Гука), где Е – модуль упругости. Модуль упругости характеризует сопротивление материала упругой деформации, которая обратима.
, МПа В К
1 А 2 3 1. Керамика,
стекло. С D 4 2. Металл
. 3. Стеклообразный
полимер
4. Эластомер. О ,%
Рис.3.1. Кривые - материалов различной природы.
Затем, на втором участке (АВ), наблюдается отклонение от линейности, А – предел нарушения пропорциональности. На этом участке начинают развиваться пластические деформации.
Хрупкие материалы (неорганическое стекло, керамика) разрушаются на первом участке, например, в точке Х. Аналогично ведут себя пластмассы – реактопласты и композиты – композиционные материалы на основе реактопластов с волокнистыми наполнителями (стеклопластики, углепластики и др.).
Упруго-вязкие материалы (металлы, пластмассы) при дальнейшем растяжении достигают максимума – предела текучести (точка В).
При достижении предела текучести у полимеров и мягких материалов при дальнейшем деформировании может наблюдаться уменьшение напряжения, при этом в материале образуется так называемая «шейка» – скачкообразное уменьшение поперечного сечения. Металлы вскоре после этого разрушаются, полимеры при постоянном напряжении можно деформировать до точки D, т. е. до тех пор, пока весь материал не перетечёт в «шейку» (участок СD). На этом участке происходит ориентирование макромолекул полимера и увеличение его прочности. На участке DК происходит деформация и разрушение уже ориентированного полимера.
Кривая растяжения эластомеров более плавная и напряжения существенно ниже.
Испытания на растяжение позволяют определить предел прочности при растяжении р, разрывное удлинение р %, модуль упругости Е, предел пропорциональности, предел текучести. Обычно для расчётов конструкций задаются определённой жёсткостью или вибропрочностью по величине напряжений, при которых пластическая деформация достигает малой нормированной величины, например 0,001; 0,005; 0,02; 0,05%.
Прочность материалов в первую очередь зависит от энергии связи между частицами (атомами, ионами, молекулами), их образующими. Для кристаллических веществ, расстояния между частицами в которых строго определённо, можно рассчитать теоретическую прочность исходя из количества связей, попадающих в сечение разрыва. Поскольку идеальных кристаллов, т.е. кристаллов с идеальной кристаллической решёткой, не существует, имеющиеся дефекты кристаллической решётки будут снижать реальные значения прочности по сравнению с теоретическими.
Решающее влияние на реальную (физическую) прочность оказывают поверхностные дефекты в виде микротрещин. Именно они могут понизить прочность по сравнению с теоретической в сотни раз. Впервые это было экспериментально доказано исследованиями, проводившимися в Физико-техническом институте Академии наук под руководством А. Ф. Иоффе на примере кристаллов каменной соли. Теоретическая прочность на растяжение кристаллов NaCl приблизительно составляет 2 ГПа, а реально при комнатной температуре прочность не превышает 5 МПа, т.е., в 400 раз ниже. В то же время при испытаниях, проводившихся в горячей воде, прочность повышалась в десятки раз и, в ряде случаев, приближалась к теоретической. Горячая вода растворяла дефектный поверхностный слой, содержащий трещины (концентраторы напряжения), и прикладываемое напряжение при этом распределяется на всё поперечное сечение.
Эти закономерности чётко прослеживаются на материалах любого типа. Так, нитевидные кристаллы железа, представляющие собой практически монокристалл с малым количеством дислокаций, имеют предел прочности при растяжении порядка 10 ГПа, а поликристаллическое железо, очищенное методом зонной плавки, имеет предел прочности при растяжении всего 0,1 ГПа. Легированные стали после специальной термообработки обладают прочность порядка 2 – 3 ГПа.
В металлических монокристаллах пластические деформации осуществляются путём сдвига одной его части относительно другой. Сдвиг наступает, когда касательные напряжения превысят критическое напряжение τк. Существует две разновидности сдвига – скольжение и двойникование. Чаще наблюдается скольжение – смещение одной части кристалла параллельно другой части вдоль плоскости скольжения.
Двойникование – это перестройка части кристалла в новое положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. Плоскость зеркальной симметрии – это плоскость двойникования.
В металлах с объёмноцентрированными кристаллическими решётками (ОЦК) и гранецентрированными (ГЦК) двойникование происходит только при низких температурах или при высоких скоростях деформирования. В металлах с гексагональной плотной упаковкой (ГПУ) равновероятны оба механизма.
Деформация скольжения развивается по плоскостям и направлениям, на которых плотность атомов максимальна. Плоскость скольжения вместе с направлением скольжения, принадлежащим этой плоскости, образуют систему скольжения. Число систем скольжения зависит от типа решётки. У металлов с ГЦК решёткой (Cu, Al, Ni, аустенит) 4 плоскости скольжения и 3 направления – всего 12 систем скольжения. У металлов с ОЦК решёткой 48 систем скольжения. У металлов с ГПУ решёткой систем скольжения мало. Чем больше систем скольжения, тем пластичнее металл.
Элементарный акт сдвига – это смещение на одно межатомное расстояние. В идеальном бездефектном кристалле предельное напряжение τк приблизительно равно 0,16.G (G – модуль упругости сдвига) и равно теоретической прочности. В реальных кристаллах τк ≈ 10-4 . G, т.е. в 1000 раз меньше. Это связано с тем, что в реальных кристаллах существуют дислокации, сдвиг осуществляется легко путём последовательного перемещения дислокаций.
Пластическая деформация поликристаллических металлов протекает без стадии лёгкого скольжения, деформация зёрен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотом плоскостей скольжения. По мере деформирования происходит изменение микроструктуры зёрен, их ориентация (текстура деформации). Текстура деформации делает металл анизотропным.
Деформация двухфазных сплавов более сложная, т.к. каждая фаза имеет свои системы скольжения и свои критические напряжения сдвига τк. Свойства сплавов зависят от того, как фазы распределены. Если хрупкая фаза является непрерывной (дисперсионная среда), то и сплав будет хрупким. Если же хрупкая фаза составляет дисперсную фазу сплава, то будет наблюдаться эффект упрочнения при сохранении пластичности, что хорошо.
Путём наклёпа твёрдость металлов может возрасти в 1,5 – 3 раза, прочность – в 3 – 7 раз. Металлы с ГЦК решёткой упрочняются при деформации сильнее, чем с ОЦК решёткой. С ростом степени деформирования возрастают удельное электрическое сопротивление ρ, коэрцитивная сила Нс, уменьшаются магнитная проницаемость μ, остаточная индукция Вs, плотность, снижается стойкость к коррозии.
Керамика по механическим свойствам характеризуется высокой твёрдостью, но, к сожалению, хрупкостью и чувствительностью к термическим ударам – резким перепадам температуры. Прочность керамических материалов во многом определяется её многофазностью, в частности, наличием газовой фазы, что является следствием технологии керамики. Механические испытания керамики обычно сводятся к определению предела прочности при сжатии и при изгибе и реже – при растяжении. Наибольшей прочностью обладают керамики на основе чистого оксида алюминия А12О3 или А12О3 с добавками других соединений, например, карбида титана ТiC. При этом, чем меньше пористость (чем меньше размер зерна), тем выше прочностные характеристики. Так, керамика на основе чистого А12О3 при диаметре зерна 2 – 3 мкм имеет предел прочности при сжатии сж 3,5 – 4 ГПа, предел прочности при изгибе изг 0,4 – 0,6 ГПа, а при размере зерна 0,5 – 1,6 мкм изг = 0,8 ГПа. Керамика А12О3 с добавкой 20 – 40 % ТiC обладает более высокими характеристиками: при размере зерна 1 – 2 мкм сж = 4 – 5 ГПа, изг = 0,7 – 0,8 ГПа, при размере зерна 0,3 – 1,2 мкм изг = 0,9 ГПа.
Прочность обычных стёкол, как правило, лежит в диапазоне 70 – 100 МПа, термически упрочнённое (закалённое) – 210 МПа, химически упрочнённое – 390 МПа, а стекловолокно – 2 – 3,8 ГПа.
Полимерные материалы в неориентированном состоянии имеют предел прочности при растяжении 20 – 80 МПа, а при высокой степени ориентации прочность достигает 6 – 10 ГПа, т.е., находится на уровне нитевидных кристаллов железа и во много раз превышают прочностные характеристики металлических сплавов. Если учесть, что плотность полимеров обычно составляет 0,9 – 1,4 т/м3, то удельные значения прочности полимеров превосходят удельные значения прочности металлических материалов в десятки раз. (Удельная прочность – это отношение прочности к плотности, размерность - м).
Измеримой механической прочностью полимеры обладают только при достижении некоторой минимальной степени полимеризации (СП). До СП порядка 250 наблюдается приблизительно прямая пропорциональность между СП (или молекулярной массой М) и р (предел прочности при растяжении). Дальнейшее увеличение СП всё слабее сказывается на росте р и при СП порядка 600 рост р практически прекращается. Следует учесть, что при синтезе полимеров образуются макромолекулы с различной СП.