Кенько В.М. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

191

Рис. 9.8. Микроструктура баббита Б83, × 300

Цинковые антифрикционные сплавы ЦАМ 10-5 и ЦАМ 9,5-1,5,

содержащие кроме алюминия и меди 0,03…0,06 % магния, применя-

ют для монолитных вкладышей, втулок, ползунов, а также для изго-

товления биметаллических изделий со сталью и алюминием. В спла-

вах, предназначенных для отливки монолитных вкладышей, на конце

обозначения ставится буква Л, например, ЦАМ 10-5Л. Имея

σ до

300…350 МПа при температуре 120 °С, эти сплавы способны заме-

нить бронзы в узлах трения при температурах в контактной зоне до

100 °С.

Кальциевые баббиты (БКГ, БКА, БКГШ) используются в основ-

ном на железнодорожном транспорте для изготовления подшипников

скольжения.

Вопросы для самопроверки

1. Какие сплавы относятся к латуням? Как обозначаются де-

формируемые и литейные латуни? Области их применения.

Какие сплавы относятся к бронзам? Как обозначаются де-

формируемые и литейные бронзы?

Какие бронзы применяются для подшипников скольжения?

Какие бронзы применяют для других элементов?

На какие классы подразделяются алюминиевые и магниевые

сплавы и как они обозначаются?

Какие сплавы относятся к упрочняемым?

В чем сущность процесса старения? Чем отличается естест-

венное старение от искусственного?

Как производится закалка алюминиевых сплавов?

192

Какие алюминиевые сплавы относятся к жаропрочным?

10.

Обозначение и применение магниевых сплавов.

11.

Обозначение и применение титановых сплавов.

12.

Какие сплавы относятся к баббитам?

Глава 10. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

10.1. Общая характеристика

Согласно современным научным воззрениям, не только органи-

ческие, но и многие неорганические неметаллические материалы

имеют полимерное строение. Ковалентные и ионные химические свя-

зи в полимерных материалах исключают наличие в объеме тела под-

вижного электронного газа, образующего металлическую связь и лег-

ко переносящего тепловую и электрическую энергии. Поэтому одним

из основных отличий

большинства неметаллических материалов от

металлов, сплавов и графита (имеющего также металлическую связь

между плоскостями кристаллической решетки) является их тепло-

и электроизоляционные свойства. Исключение составляют электро-

проводящие композиты.

Другим важнейшим отличием основной массы неметаллических

материалов от металлов и сплавов является существенно меньшая их

плотность: для органических материалов (пластмасс и резин) – вдвое

ниже плотности алюминиевых сплавов, а для неорганических (стекла,

фарфора, асбеста) – почти вдвое ниже плотности титановых сплавов.

Благоприятным для неметаллических материалов оказывается так-

же сравнение методов и стоимости их переработки в изделия с методами

обработки и стоимостью металлов. Получение деталей из неметалличе-

ских материалов в большинстве случаев сводится к пластической дефор-

мации

исходной сырой композиции или расплава и закреплению полу-

ченной формы последующей термообработкой или охлаждением. Такая

практически лишенная отходов технология (коэффициент использования

материала 0,89...0,95) выгодно отличается от технологии получения ме-

таллических деталей путем механической обработки заготовок – весьма

трудоемкой, малопроизводительной и сопровождающейся значительны-

ми отходами (коэффициент использования материала иногда составляет

0,5...0,6). При замене черных

металлов литьевыми пластмассами трудо-

емкость процесса снижается в 5…6 раз, а себестоимость – в 2...6 раз;

при замене дефицитных цветных и черных металлов и полуфабрикатов

193

(труб, тонкого листа) органическими полимерами себестоимость изде-

лия снижается в 4...9 раз.

По назначению неметаллические материалы, применяемые

в машиностроении, могут быть подразделены на две группы: конст-

рукционные и специальные.

Конструкционные – это материалы, из которых изготавливают

отдельные элементы и узлы приборов, машин, несущих и передаточ-

ных устройств. Эта группа объединяет материалы,

находящиеся

в твердом агрегатном состоянии и отличающиеся явно выраженными

упруго-эластическими свойствами (большинство пластмасс, древеси-

на, резина и керамика).

Специальные материалы имеют прикладное значение относи-

тельно конструкционных и представляют собой различные жидкие,

твердые и газообразные неметаллические материалы. Применяются

они в машиностроении в качестве хладагентов, теплоносителей, эле-

ментов топлив, масел, смазок, мягчителей

, пластификаторов, клеев,

герметиков, лаков, эмалей, красок и т. д.

Химическая природа неметаллических материалов, т. е. принад-

лежность к органическому или неорганическому типу, во многом опре-

деляет их свойства и области применения. Так, в большинстве случаев

материалы органического происхождения, состоящие преимущественно

из атомов углерода, связанных с водородными атомами и с атомами

не-

которых других элементов (O, N, S, Cl, F и т. п.), являются весьма техно-

логичными (доступны и просты в переработке) и имеют относительно

низкую плотность, повышенные тепло-, звуко- и электроизоляционные

свойства, избирательную стойкость к агрессивным средам и растворите-

лям. В то же время они, как правило, горючи и обладают сравнительно

невысокими механической прочностью и устойчивостью

к радиацион-

ной, термической и термоокислительной деструкции.

К неметаллическим материалам неорганической природы относят-

ся разновидности кремнезема и его модификации, оксиды металлов, си-

лициды, бориды, нитриды, а также алмазы, графит и некоторые другие

материалы. Они отличаются негорючестью, устойчивостью к нагреву

и различным агрессивным средам (включая органические растворите-

ли), повышенными жесткостью и

плотностью, но меньшей технологич-

ностью по сравнению с органическими материалами.

Подобная обобщенная характеристика неметаллических мате-

риалов не исключает существенных отклонений от вышеизложенных

194

свойств. Так, например, наиболее химически стойким из известных

в настоящее время промышленных материалов является политетраф-

торэтилен (фторопласт-4) – полимер органической природы. Такие

материалы неорганического типа, как ситаллы, в отличие от других

кремнеземных материалов, обладают относительно высоким сопро-

тивлением ударным нагрузкам, пониженной хрупкостью и щелоче-

стойкостью.

К числу наиболее распространенных перспективных для

маши-

ностроительной техники неметаллических материалов могут быть от-

несены пластические массы и резины, древесные материалы, клеи,

лаки и герметики (органический тип), а также материалы на основе

асбеста, стекла и керамики, углеграфиты, алмазы и некоторые другие

неорганические материалы.

Происхождение неметаллических материалов и связанные с ним

условия их получения и переработки во

многом определяют технико-

экономические показатели и возможности их практического исполь-

зования. По происхождению они подразделяются на природные, ис-

кусственные и синтетические.

К природным неметаллическим материалам относятся древеси-

на, растительные волокна, натуральный каучук, сырые кожи, иско-

паемые материалы (асбест, слюда, природные графиты, алмазы, би-

тумы и др.).

Искусственные неметаллические материалы, как правило

, полу-

чают из природных полимеров путем соответствующей химической

обработки. Наиболее распространенными представителями этой

группы материалов являются различные модификации древесной

и хлопковой целлюлозы, бумажные и текстильные материалы, пласт-

массы на основе сложных и простых эфиров целлюлозы, полимерные

белковые соединения (казеин, столярный клей), некоторые разновид-

ности асботехнических и углеграфитовых материалов.

Синтетические неметаллические

материалы в большинстве

случаев получают из более простых (обычно низкомолекулярных) со-

единений в процессе химических, физико-химических и термохими-

ческих превращений. К этой группе относятся синтетические полиме-

ры и эластомеры органического и элементоорганического типов,

лежащие в основе синтетических волокон, пластмасс, резин, клеев,

лаков, герметиков и т. д., искусственные алмазы и графиты

, бески-

слородная керамика, силикатные стекла, ситаллы и др.

195

10.2. Органические неметаллические материалы

Полимеры и материалы на их основе

Основой большинства неметаллических материалов являются

полимеры, главным образом синтетические. Полимерами называются

вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных эле-

ментарных звеньев одинаковой структуры. Химический состав поли-

мера выражают этим структурным звеном, а число звеньев n в макро-

молекулярной цепи называют степенью полимеризации. Например,

молекула полиэтилена состоит из многократно повторяющегося звена

и может быть представлена в виде

Н Н

│ │

[СС]

│ │

Н Н

В зависимости от числа звеньев в молекуле изменяются агре-

гатное состояние и свойства вещества. При n = 5 – это жидкость, при

n = 50...70 – вязкая жидкость (смазка), при n = 100...120 – твердое ве-

щество (парафин), при n = 1500...2000 – высокомолекулярное соеди-

нение (полиэтилен). Макромолекулы полимера, имея одинаковый

химический состав, могут значительно различаться размерами,

а следовательно, и свойствами. Это явление

, вызывающее рассеяние

молекулярных масс, называется полидисперсностью. Молекулярная

масса полимерных молекул равна произведению молекулярной

массы звена М

зв

на степень полимеризации n:

зв

nMМ =

и составляет от 5000 до 1000000 и более. Ввиду полидисперсности

полимера пользуются средней молекулярной массой

Полимерные макромолекулы представляют собой длинные це-

почки, состоящие из большого количества отдельных звеньев. Попе-

речное сечение цепи составляет несколько нанометров, а длина – до

нескольких тысяч нанометров, поэтому макромолекулам полимера

свойственна большая гибкость. Это одна из отличительных особен-

ностей полимеров. Гибкость ограничена размерами сегментов – же-

стких участков цепей, состоящих из нескольких

звеньев.

Атомы, входящие в основную цепь полимера, связаны между

собой прочной химической (ковалентной) связью. Энергия химиче-

196

ских связей вдоль цепи составляет 335 кДж/моль для связи С–С, 330

для С–О, 275 для С–N, 375 для Si–О, 189 кДж/моль для Si–Si. Силы

межмолекулярного взаимодействия, имеющие обычно физическую

природу, в 10...50 раз слабее. Например, прочность межмолекулярных

связей электростатического характера не превышает 38 кДж/моль. Од-

нако в реальных полимерах они имеют большую суммарную

величину

вследствие значительной протяженности макромолекул. Таким обра-

зом, полимеры характеризуются прочными связями вдоль цепи в мак-

ромолекулах и относительно слабыми – между ними, за исключением

пространственно сшитых полимеров.

Макромолекулы могут быть построены из одинаковых по химиче-

скому строению мономеров или разнородных звеньев. В первом случае

соединения называются гомополимерами (просто полимерами), во

вто-

ром – сополимерами. Если макромолекулы вещества состоят из чере-

дующихся крупных химически однородных отрезков (блоков) разного

состава, то такие вещества называются блоксополимерами. В процессе

синтеза к главной молекулярной цепи, состоящей из одних мономеров,

можно «привить» отрезки цепи из других мономеров, тогда получаются

привитые сополимеры.

По химическому составу полимеры подразделяются на органи

ческие, элементоорганические и неорганические. К органическим от-

носятся полимеры, в состав которых кроме атомов углерода входят

атомы водорода, кислорода, азота, серы, галогенов, в том числе, если

кислород, азот или сера входят в состав главной цепи. К элементоор-

ганическим полимерам относятся: соединения, главные цепи которых

построены из атомов углерода и гетероатомов,

кроме азота, серы и

кислорода. К неорганическим относятся полимеры, не содержащие

атомов углерода (силикатные стекла, керамика, асбест, слюда и др.).

Наиболее обширную группу составляют органические полиме-

ры, которые по составу главной цепи делятся на гомоцепные и гете-

роцепные.

Гомоцепными называются полимеры, главные цепи которых по-

строены из одинаковых атомов, например, углерода

, серы, фосфора и

т. д. Если основная молекулярная цепь образована только углеродны-

ми атомами, то такие полимеры называются карбоцепными. Углерод-

ные атомы в них соединены с атомами водорода или органическими

радикалами, а также функциональными группами, в качестве которых

могут быть гидроксилы, карбонилы, карбоксилы, аминогруппы и т. д.

Если атомы водорода

замещены галогенами, то такие полимеры на-

зываются галогенопроизводными углеводородов.

197

Гетероцепными называются полимеры, основная цепь которых

образована из различных атомов, входящих в состав органических со-

единений. Атомы других элементов кроме углерода, присутствующие

в основной цепи, существенно изменяют свойства полимера. Так,

атомы кислорода способствуют повышению гибкости цепи, являясь

как бы шарнирами, что приводит к увеличению эластичности поли-

мера; атомы фосфора и

хлора повышают огнестойкость; атомы серы

придают газонепроницаемость; атомы фтора сообщают полимеру вы-

сокую химическую стойкость и т. д.

Элементоорганические полимеры содержат в основной цепи

атомы кремния, алюминия, титана, никеля, германия и других эле-

ментов, не входящих в состав природных органических соединений,

которые сочетаются с органическими радикалами R, R

•

. Например,

R R

│ │

[SiOSi]

│ │

•

Полимеры, содержащие в основной цепи повторяющееся зве-

но –Si–O–Si–, называются полисилоксанами, а –Ti–O–Ti политита-

ноксанами. Органические радикалы придают полимеру прочность

и эластичность, а неорганические атомы – повышенную теплостой-

кость. Наиболее крупными представителями этих соединений яв-

ляются кремнийорганические.

По форме макромолекул полимеры делятся на линейные, раз-

ветвленные, ленточные, или лестничные, пространственные, или

сетчатые (рис. 10.1).

Линейные

макромолекулы полимера представляют собой длин-

ные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки. Гибкие

макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмо-

лекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способ-

ность его размягчаться при нагревании, а при охлаждении вновь за-

твердевать. Большинство из них растворимо в растворителях.

Физико-химические свойства линейных полимеров

зависят от плот-

ности их упаковки в единице объема. Увеличение плотности упаков-

ки приводит к увеличению прочностных свойств, температуры раз-

мягчения и уменьшению растворимости. Линейные полимеры широко

используются для получения пленок и волокон. Линейное строение

имеют, например, молекулы полиэтилена.

198

а) б)

в) г)

Рис. 10.1. Формы макромолекул полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – лестничная; г – сетчатая

Разветвленные макромолекулы полимера имеют боковые от-

ветвления, которые препятствуют сближению макромолекул и их

плотной упаковке. Такие материалы (например, полиизобутилен)

имеют пониженное межмолекулярное взаимодействие, пониженную

прочность, повышенную плавкость и растворимость. К разветвлен-

ным относятся и привитые сополимеры, у которых химический состав

основной цепи и ответвлений неодинаков. Путем прививки других

сополимеров к основной

цепи можно в широких пределах изменять

свойства материалов.

Макромолекулы лестничного полимера состоят из двух цепей,

соединенных между собой поперечными химическими связями или

цепями. Они, как правило, имеют более жесткую основную цепь, об-

ладают повышенной теплостойкостью и практически нерастворимы

в обычных растворителях. Лестничное строение имеют некоторые

кремнийорганические полимеры.

Пространственные, или сетчатые

полимеры образуются

при соединении (сшивке) макромолекул между собой в поперечном на-

правлении прочными химическими связями. В результате такого соеди-

нения образуется сетчатая структура с разной густотой сетки. Редкосет-

чатые полимеры теряют способность растворяться и плавиться, однако

обладают определенной упругостью (мягкие резины). Густосетчатые

отличаются повышенными твердостью и теплостойкостью, нераство-

римостью, например, отвержденные

фенолоформальдегидные смолы.

Пространственные густосетчатые полимеры составляют основу конст-

рукционных неметаллических материалов.

199

Структуры, возникшие в процессе различной укладки моле-

кул, называются надмолекулярными. Упорядоченность в структуро-

образовании определяется гибкостью цепи, способностью молекул

изменять форму, перемещаться по частям. По степени упорядоченно-

сти структуры полимеры подразделяются на аморфные и кристал-

лические.

Для аморфных полимеров характерен ближний порядок, кото-

рый соблюдается на расстояниях, соизмеримых с длиной

молекул.

Аморфные полимеры однофазны и построены из молекул, собранных

в пачки или свернутых в клубки, называемые глобулами. Пачки со-

стоят из многих рядов молекул, расположенных последовательно

друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно сосед-

них элементов. Такие материалы обычно хрупкие. Аморфные состоя-

ния характерны для полимеров с нерегулярной структурой (сетчатые,

разветвленные и т. д.).

Для полимеров регулярного строения с достаточно гибкими

макромолекулами характерно наличие кристаллических областей,

обладающих трехмерным дальним порядком в расположении атомов

или молекул, который соблюдается на расстояниях, превышающих

в сотни раз размеры молекул. Гибкие пачки складываются в ленты

путем многократных поворотов пачек на 180°. Затем ленты соединя-

ются между собой

своими плоскими сторонами, образуя пластины,

которые, ориентируясь определенным образом, образуют, как прави-

ло, сферолиты. Необходимо отметить, что в образовании кристал-

лических областей участвует лишь некоторое число звеньев несколь-

ких соседних макромолекул. Иными словами, одна и та же молекула

может входить в состав нескольких кристаллитов. Переходные части

между кристаллитами остаются аморфными.

Кристаллизуется обыч-

но порядка 50 % полимера, реже 70...90 %. Таким образом, кристал-

лические полимеры являются двухфазными. Соотношение кристал-

лической и аморфной фаз называется степенью кристалличности

полимера. Кристалличность придает полимеру повышенную тепло-

стойкость, прочность и жесткость. К кристаллизующимся полимерам

относятся полиэтилен, полипропилен, полиамид и др.

В зависимости от химической структуры молекулы полимеров

могут быть полярными

и неполярными. У неполярных молекул общее

электронное облако, скрепляющее атомы, распределено между ними

равномерно, а у полярных – сдвинуто в сторону более электроотрица-

тельных атомов. Полярность полимера оценивается электрическим

дипольным моментом

ν , равным произведению эффективного заряда

200

е на расстояние l между центрами тяжести всех положительных

и всех отрицательных зарядов:

= еl. Значения дипольных моментов

для некоторых типов связей приведены в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Дипольные моменты для различного типа связей

Тип связи C–H C–N C–O C–F C–Cl C–CH

Дипольный

момент, 10

–30

Кл · м

0,66 1,32 2,94 6,04 6,77 0,66

Для полярных полимеров характерны присутствие в молекулах

атомов хлора, гидроксильных, карбоксильных групп и несимметрия

в строении их макромолекул. Полярность полимера оказывает значи-

тельное влияние на его свойства. Неполярные полимеры являются вы-

сококачественными диэлектриками для высокочастотной и сверхвы-

сокочастотной техники, обладают хорошей морозостойкостью

и незначительной потерей физико-механических свойств при низких

температурах. Полярность придает полимеру жесткость, снижает мо-

розостойкость. В качестве диэлектриков их можно использовать лишь

в области низких частот.

Неполярные полимеры (например, полиэтилен, политетрафторэ-

тилен) имеют симметричное расположение функциональных групп,

поэтому дипольные моменты связей атомов взаимно скомпенсирова-

ны. А у политрифторэтилена дипольные моменты связей C–F и C–Cl

не компенсируются, и он обладает полярностью

(рис. 10.2).

H H

│ │

[CC]

│ │

H H

полиэтилен

F F

│ │

[CC]

│ │

F F

политетрафторэтилен

F F

│ │

[CC]

│ │

F Cl

политрифторхлорэтилен

Рис. 10.2. Структурные формулы некоторых полимеров

По способу получения синтетические полимеры подразделяют-

ся: на получаемые методами полимеризации и поликонденсации из

низкомолекулярных соединений, а также путем химического пре-

вращения других природных и синтетических полимеров.

Полимеризацией называется процесс соединения отдельных

молекул мономера в одну большую макромолекулу без выделения