Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания

кислорода. При пористости более 3 % заметно уменьшаются σ

0,2

, KCU, а порог хладноломкости t

повышается даже при

уве

е 1 ся ы

п ю я

н в

П» — порошковый сплав и число

после дефиса —

пло

м й

я в в

ию но и ха

тоимости пресс-форм изготовление деталей

ма м и и

формы детали не должны содержать отверстий

по си з выем них

детал

ионные

ехн и

порошковых материалов.

431

личении пористости более 2 %. С повышением содержания

кислорода боле 0,0 % снижает KCU и пов шается t

Поэтому рекомендовать орошковую технологи дл высоко-

нагруженных 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 цвет ых металло (АЛП-2, АЛПД-2-4,

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

нашли широкое применение 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 «

тность 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 еталлов обладают высоко теплопроводностью и

электропроводимостью, коррозионной

СТОЙКОСТЬЮ, немагнитны,

хорошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент

использовани металла и по ысить произ одительность труда.

Экономическая эффективность достигается бл годаря

сокращен или пол му сключению ме нической обработки.

Вследствие высокой с

шин етодам порошковой металлург и эффективно только в

массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при

изготовлении деталей простой симметричной формы

(цилиндрические, конические, зубчатые), малых массы и размеров.

Конструктивные

д углом к о аготовки, ок, внутрен полостей и

выступов. Конструкция и форма и 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 фрикц

материалы?

3. Как влияет пористость на механические свойства порошковых

материалов?

4. Опишите свойства, т ологию обработки применение

конструкционных

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.

. РГеллер Ю А., ахштадт 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.:

аллургия, 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 физ

Мет .

роение, 1986. 383

афия промышленных цветных металлов и сплавов.

М.:

о б .

ики металлов. М.: Машиностроение, 1974. 152 .

Колачев Б. А., абидулин Р. М., Пигузов Ю. В. Технология термич ской

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.: Машиност

с.

Мальцев М. В. Металлогр

Металлургия, 1970. 367 с.

де Н ТМетоды повышения долговечности талей машин/В. . качев, Б. М.

Фиштейн, В. Д. Власенко и др. М.: Машиностроение, 1971. 273 с.

вНатапо Б. С. Термическая бра отка металлов Киев: Высшая школа,

1980. 288 с.

432

Новиков И. И. Дефекты крис

Металлургия, 1983. 232 с.

таллического строения металлов. М.:

Новиков И. И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия,

198

Д -

ия,

198

208 с.

6. 480 с.

Новиков И. И., Портной В. К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким

зерн

ом. М.: Металлургия, 1981. 168 с.

Ж ППастухова . ., 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.

КПортной . И., Бабич Б. Н. исперсно упрочненные материалы. М.:

Металлургия, 1974. 199 с.

Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд. М.: Металлург

2. 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 ад М

, А. Г. Рахшт та. .: Машиностроени , 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.

ргия, 1980. Ульянин Е. А. Коррозионные стали и сплавы. М.: Металлу

Уманский Я. С, Скаков Ю. А. Физика металлов. М.: Атоми

дат, 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.

ЧАСТЬ II

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ГЛАВАXXVI. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О

НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

К неметаллическим материалам относятся полимерные

мат

ериалы органические и неорганические: различные виды

пла

хим

мат

ашиностроения.

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. Семе-

новым разработана теория цепных реакций

и распространена на

механизм цепной полимеризации. Успешное развитие химии и

физики полимеров связано с именами видных ученых: П. П. Ко-

беко, 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

стических 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,

ическая стойкость, диэлектрические свойства, делают эти

ериалы часто незаменимыми. Также следует отметить их

технологичность и эффективность при использовании. Эти

ма

териалы находят все большее применение в различных

отраслях м

Макромолекулы

остоящие из от

полимера представляют еобой цепочки,

с дельных звеньев. Длина цепи в несколько

т ения, поэтому

макром (которая

ограничена размером сегментов — жестких участков, состоящих из

нескольких звеньев). Гибкость макромолекул является одной из

отличительных особенностей полимеров.

епь, связаны прочной

химической (к ских связей

составляет 330—360 кДж/моль, силы межмолекулярного

взаимодействия, имеющие обычно физическую природу,

значительно меньше (5— 40 кДж/моль). Наиболее сильные

межмолекулярные взаимодействия осуществляются

посредство

м ы

в ти а в

гру

изме

и ают огнестойкость, атомы серы придают

газонепроницаемость, атомы фтора, даже в виде радикалов,

сообщают по

Органич молы и каучуки. Эле-

ментоорганические соединения содержат в составе основной цепи

неорганичес е

радикалами

ысяч раз больше их поперечного сеч

олекулам полимера свойственна гибкость

Атомы, входящие в основную ц

овалентной) связью. Энергия химиче

м водородных связей (до 50 кДж/моль). Сцепление

олекул материала за счет сил притяжения наз вается когезией.

акромолекулы могут быть построены

из одинаковых по

имическому строению мономеров (полимеры) или разнородных

веньев (сополимеры).

ольшое значение имеет стереорегулярность полимера, когда

се звенья и замес тели р сположены пространстве в

пределенном порядке. Это придает материалу повышенные

изико-механические свойства (по сравнению е нерегулярными

олимерами).

Полимеры встречаются в природе — натуральный каучук,

еллюлоза, слюда, асбест, природный графит. Однако ведущей

ппой являются синтетические полимеры.

Классификация полимеров. Для удобства изучения связи

остава, структуры со свойствами полимеров их можно

лассифицировать по различным признакам (составу, форме

акромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к

агреву). По составу все полимеры подразделяют на органические,

лементо-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

няют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы

ислорода способствуют повышению гибкости цепи, атомы фосфора

хлора повыш

лимеру высокую химическую стойкость и т. д.

ескими полимерами являются с

кие атомы (Si, Ti, A1), соч тающиеся с органическими

(СН

, С

, СН

). Эти радикалы придают материалу

рочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают

овышенную теплостойкость. В природе таких соединений не

435

вст е

со

керам а

не ы

кр

ко и

св й

пл и

ке К

не й

со

ь ы и

соч т

ко

ма е

(це ),

пр ра

пре в

сп

ме ,

сп ь

зат

436

речается. Представителями их являются кремнийорганически

единения.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла

ика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелет

т. Основу неорганических материалов составляют оксид

емния, алюминия, магния, кальция и др.

В силикатах существуют два типа связей: атомы в цепи соединен

валентными связями (Si—О), а цепи между собой — ионным

язями. Неорганические полимеры отличаются более высоко

отностью, высокой длительной теплостойкостью. Однако стекла

рамика хрупкие, плохо переносят динамические нагрузки.

органическим полимерам относится также графит, представляющи

бой карбоцепной полимер.

В нтех ических материалах используют отдел ные вид полимеров

етание различных групп полимеров; такие материалы называю

мпозиционными (например, стеклопластики).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их

кромолекул. По форме макромолекул полимеры делят на линейны

повидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные

остранственные или сетчатые. Линейные макромолекулы полиме

дставляют собой длинные зигзагообразные или закрученные

ираль цепочки (рис. 199, а).

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабым

жмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала

особность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении внов

вердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвленные макромолекулы (рис. 199, б), являясь также

линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что

препятствует их плотной упаковке (полиизобутилен).

е химическими

с н

ве конструкционных

с м

. Китайго

оченность в структурообразовании еляется гибкостью

ных 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

Макромолекула лестнично о полимера (рис. 199, в) состоит из

двух цеп й, соединенных связями. Лестничные

полимеры имеют б лее 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 непо редстве но 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 осно

неметалличе ких материалов. К сетчатым полимера

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. родского 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.

опред

Упоряд

линей

нестабильны и

фазовый переход внутри

пачк

адываются в ленты путем многократного

пово

м р

п п

крис

К п о

э у

р м

бщенных центров распределения

положительных и

438

характеризуются

относительно небольшим

временем жизни.

Кристаллические

полимеры образуются в

том случае если их

макромолекулы

достаточно гибкие и

имеют регулярную

структуру. Тогда при

соотв тствующих

условиях возможны

и и образование пространственных решеток кристаллов.

Гибкие пачки скл

рота пачек на 180°. Затем ленты, соединяясь друг с другом

воими плоскими сторонами, образуют пластины (рис. 200, а).

ти пластины наслаиваются, в результате чего получаются

равильные кристаллы.

В том сл чае, когда образование из более мелких структурных

лементов правильных объемных кристаллов затруднено,

озникают сферолиты (рис. 200, б). Сферолиты состоят из лучей,

бразованных чередованием кристаллических и аморфных

частков. В процессе ориентации гибкоцепных полимеров

олучаются фибриллярные структуры, состоящие из

икрофибрилл (рис. 200, в). Между к исталлитами находятся

морфные участки.

Кристаллические структуры являются дискретными,

рганизованными, термодинамически стабильными. В отсутствие

нешних силовых полей время жизни τ → ∞ (полиэтилен,

олипро илен, полиамиды и др.). Кристаллизация происходит в

пределенном интервале температур. В обычных условиях полной

таллизации не происходит и структура получается двухфазной.

ристалличность сообщает олимеру большую жестк сть и

вердость, а также теплостойкость. При длительном

хранении,

ксплуатации и переработке надмолекулярные стр ктуры могут

ретерпевать изменения.

По полярности полимеры подразделяют на полярные и

неполярные. Полярность оп еделяется наличие в их составе

диполей — разо

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 ПО МА

г о ь

е жидкости, а термостабильные даже не

р я

полимерных материалов. Механические

с х

е т

и те

т ,

в с рш тел е

омолекул не происходит).

е п оль -

ЛИМЕРНЫХ ТЕРИАЛОВ

Особенности строения полимеров оказывают большо

влияние на их физико-механические и химические свойства

Вследствие высокой молекулярной массы они неспособны

переходить в азо бразное состояние, при нагреве образовыват

низковязки

азмягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшаетс

растворимость.

Полидисперсность, присущая полимерам, приводит

значительному разбросу показателей при определении физико

механических свойств

войства полимеров (упругие, прочностные) зависят от и

структуры, физического состояния, т мпературы и . д. Полимеры

могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном

высокоэласт ческом и вязко кучем.

Стеклообразное состояние — вердое, аморфное (атомы

входящие остав молекулярной цепи, сове ают колеба ьно

движение около положения равновесия; движения звеньев

перемещения макр

Высокоэластическое состояни рисуще т ко высокополи

мерам, характеризуется способностью материала к больши

обратимым изменениям формы при небольших нагрузка

(колеблются звенья, и макромолекула приобретает способност

изгибаться).

отли

макр л

разв физ

состо

стек а

полу

сост

обна зменении его деформации е температурой.

Графическая зависимость деформации, развивающейся за определенное

время при заданном напряжении, от температуры называется

термомеханиче

участка, соотве тр ич Сред

температу

пере

(крив

связ

темп

прои

В о перемещение

отде

дейс

равн

знач

точк

и пл

крис

жест

кото

крис

скач в

высо

440

язкотекучее состояние напоминает жидкое состояние, но

чается от него очень большой вязкостью (подвижна вся

омолекула). С изменением температуры инейный или

етвленный полимер может переходить из одного ического

яния в другое.

олимеры с пространственной структурой находятся только в

лообразном состоянии. Редкосетчатая структур позволяет

чать полимеры в стеклообразном и высокоэластическом

ояниях. Различные физические состояния полимера

руживаются при и

ской кривой (рис. 201).

На кривых имеются три

тствующие ем физ еским состояниям. ние

ры переходных областей называются температурами

хода. Для линейного некристаллизирующегося полимера

ая 1) область I — область упругих деформаций (ε = 2÷5 %),

анная с изменением расстояния между частицами вещества. При

ературе ниже t

полимер становится хрупким. Разрушение

сходит в результате разрыва химических связей в макромолекуле.

бласти II небольшие напряжения вызывают

льных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении

твующей силы. После снятия нагрузки молекулы в результате

твия межмолекулярных сил принимают первоначальную

овесную форму. Высокоэластическое состояние характеризуется

ительными обратимыми деформациями (сотни процентов). Около

и t

кроме упругой и высокоэластической деформации возникает

астическая.

ристаллические полимеры ниже температуры плавления —

таллизации t

— являются твердыми, но имеют различную

кость (см. рис. 201, кривая 2) вследствие наличия аморфной части,

рая может находиться в различных состояниях. При t

таллическая часть плавится и термомеханическая кривая почти

кообразно достигает участка кривой 1, соответст ующего

коэластической деформации, как у некристаллического полимера.