Введение
Целью данной работы выступает
исследование двух теоретических вопросов по курсу «Материаловедение» и решение практической задачи.
Поставленная цель конкретизируется рядом задач:
1)
рассмотреть
характеристику и виды чугуна, а также влияние различных компонентов и
примесей на его свойства.
2)
Рассмотреть характеристику и область применения
термопластических полимеров и пластмасс
3)
Решить задачу по определению чистой массы изделия по
исходным данным.
План
Задание № 1. 4
Характеристика чугуна. Виды чугуна. Влияние компонентов,
примесей и легирующих элементов на свойства чугуна. 4
Задание № 2. 10
Характеристика термопластических полимеров и пластмасс.
Область их применения. 10
1. Характеристика и область применения пластмасс. 10
2. Характеристика и область применения полимеров. 15
Задание № 3. 23
Список литературы.. 24
Задание № 1
Характеристика чугуна. Виды чугуна. Влияние
компонентов, примесей и легирующих элементов на свойства чугуна
Чугуны — это сплавы системы Fe — С, содержащие более 2,14% углерода и
кристаллизация которых заканчивается образованием так называемого ледебурита.
Ледебурит — это продукт «распада» (эвтектического превращения) жидкого
раствора Fe (С) с концентрацией углерода 4,3%. Такое превращение, связанное с
одновременным выпадением кристаллов аустенита и цементита, происходит при
сравнительно невысокой постоянной температуре (1147°С), это — наинизшая из всех
возможных температура кристаллизации; поэтому сплав Fe + 4,3% С называется
эвтектическим, а закристаллизовавшаяся структура — ледебурит—является
эвтектикой (наиболее лекоплавкая структура). Формулу ледебурита можно записать
как Л (А + Ц).
При охлаждении чугунов ниже 727°С (температура эптектридлого распада
аустенита на смесь Ф + ЦР т. е, температура образования перлита П) ледебурит
приобретает формулу Лпр (П-ъЦ); такую структуру называют ледебурит превращенный.
По структуре чугуны подразделяются на до-эвтектические (С<:4,3%,
структура П + ЛПр+Цп)> эвтектические (С—4,3%, структура Ллр) и заэвтектические
(С.>4,3%. структура Jlnp+Ui)> Можно видеть, что во всех случаях в чугунах
присутствует сравнительно легкоплавкая эвтектика. Поэтому чугуны относятся к
литейным сплавам. Они обладают хорошими литейными свойствами; большой
жидкотекучестью (способностью расплава свободно течь в литейной форме,
полностью заполняя ее и точно воспроизводя все контуры) и малой усадкой --
уменьшение объема металла при охлаждении н кристаллизации невелико, что
позволяет получать качественные отливки сложной формы.
Рассмотренные выше структурные превращения при кристаллизации чугуна
относятся к сплавам Fe—С, у которых углерод находится в связанном состоянии —
в виде цементита Fe3C, Обязательное присутствие в структуре сплава цементита
придает поверхности излома таких чугунов характерный серебристо-белый цвет,
поэтому эти чугуны называются белыми. Из-за наличия в структуре цементита они
очень хрупки и не могут быть использованы в качестве конструкционного
материала. Их применяют либо для последующего производства стали, либо для получении
так называемого ковкого чугуна.
Углерод в процессе кристаллизации чугуна может выделяться в связанном (
виде карбида железа) состоянии и в свободном состоянии -и виде графита (Г).
Графит — это аллотропическая модификация чистоги углерода (другой модификацией
является алмаз). Кристаллическая решетка графита — гексагональная, слоистая,
что делает его малопрочным и мягким (твердость его ИВ не превышает 3 единиц). В
отличие от метастабильного цементита графит химически термически стоек; плотность его составляет
2,5 г/см3. Темный цвет включения графита придает изломам таких чугунов
характерный серый оттенок (серые чугуны). Процесс образования в чугуне
включения графита называется графитизацией. Какой вид чугуна будет получен
при кристаллизации расплава — белый (с цементитом) или графитизированный (с
графитом) — определяется скоростью охлаждения[3, с. 145].
На условия графитизации кроме скорости охлаждения существенно влияет
также химический состав чугуна, В промышленном чугуне кроме углерода (2,5—4% не
более) обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор.
Кремний, как и углерод, способствует графитизации. Содержание кремния в
чугунах колеблется в широких пределах — от 0,3 ---0,5% до 3—5%. Изменяя
содержание кремния и углерода, можно получить разнообразные по свойствам и
структуре чугуна.
Марганец в отличие от кремния препятствует графитизации, способствуя
отбеливанию чугуна (образованию цементита). Сера также способствует отбеливанию
и ухудшает литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но существенно
повышает жидкотекучесть расплавленного чугуна, т. е, его литейные свойства.
При весьма малой скорости охлаждения расплава образуется графитная
энтектика: из жидкости при температуре 1153°С одновременно выпадают кристаллы
аустенита и графита (I стадия графитизации). На этой стадии графитизации образуется
определенная форма включения графита (пластинчатая либо шаровидная).
В районе эвтектоидного превращения (738°С) протекает II стадия графитизации:
аустенит становится неустойчивым и распадается на смесь кристаллов феррита и
графита. Однако если скорость охлаждении при этом достаточно высока, то
кристаллизация графита не успевает пройти, и аустенит распадается на обычную Л}
ферритоцементитную смесь (перлит)[4, с. 208].
Таким образом, изменяя химический состав чугуна и регулируя скорость
охлаждения на II стадии графитизации, можно получить различную металлическую
основу чугуна — ферритную, феррнтоперлнтную и перлитную (рис. 47). В последнем
случае в графитизированном чугуне часть углерода (0,8%) будет в связанном (а виде
пементнта) виде, входящем в состав перлита.
Классификация графитизированных чугунов весьма проста: вид чугуна определяется
формой включений графита[2, с. 18].
Если графит имеет пластинчатую форму, то чугун называется серым. В
высокопрочном чугуне графит имеет шаровидную форму, а в ковком — хлопьевидную,
Серый чугун. Серый чугун получается непосредственно в процессе кристаллизации
с замедленным охлаждением; графит при этом имеет пластинчатую форму.
В зависимости от степени графитизации может быть получена различная структура
металлической основы (матрицы) серого чугуна: серый перлитный чугун со
структурой П+Г (см, рис. 47); серый ферритоперлитный чугун со структурой Ф+П +
Г; серый ферритнын чугун со структурой Ф+Г.
Механические свойства серого чугуна как конструкционного материала
зависят как от свойств металлической основы (матрицы), так и от количества,
геометрических параметров и характера распределения включений графита. Чем меньше
этих включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Металлическая
основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость,
если она имеет перлитную структуру. Наименьшей прочностью обладает серый
чугун с ферритной основой. Относительное удлинение при растяжении серого
чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю
(^^0,5%).
Наиболее высокими механическими свойствами обладают модифицированные
ферросилицием и силикокальцием серые чугупы. Модифицирование — добавка в
расплав нерасплавляющихся измельченных частиц — обеспечивает измельчение
графитовых включений.
Маркируется серый чугун буквами СЧ (серый чугун). После букв СЧ следует
число, показывающее предел прочности чугуна при растяжении. Например, СЧЮ,
СЧ20 СЧ45.
Применяются форритные и ферритоперлитные серые чугуны для малонагружснных
деталей сельскохозяйственных машин, автомобилей, тракторов. Чугуны с перлитной
основой, обладающие очень высокой способностью гасить механические колебания
(высокая демпфирующая способность), применяют для отливок станин станков и
механизмов, а также для изготовления дизельных цилиндров, деталей блока
двигателей внутреннего сгорании (поршнепые кольца, штоки и т, п,).
Высокопрочный чугун. Высокопрочными называют чугуны, в которых включения
графита имеют шаровидную (сферическую) форму. Кристаллизация графита, как и в
случае -серого чугуна, начинается из жидкой фазы. Чтобы получить не
пластинчатую, а шаровидную форму графита, жидкий чугун подвергают специальному
модифицированию либо магнием (0,3—0,7%), либо церием (до 0,5%). Под действием
модификаторов графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а
шаровидную форму. Механическая основа (матрица) высокопрочных чугу нов также
может быть перлитной (П+Г), ферритоперлитной (Ф+ГЦ-Г} либо ферритной (Ф + Г);
шаровидные включении графита значительно меньше ослабляют металлическую
ociiorv, чем пластинчатые (вокруг сферических включений концентрация внутренних
напряжений несравненно ниже), поэтому чугуны с шаровидным графитом обладают
более высокой прочностью и пластичностью по сравнению с серым чугуном.
Маркируются высокопрочные чугуны букнамя ВЧ, затем следуют два числа;
первое — предел прочности при растяжении ав. второе — относительное удлинение
при разрыве 5, °/0. Например, B4fiO-2.
Высокопрочные чугуны широко применяются в качестве деталей ответственного
назначения в машиностроении, авто- и тракторостроении (зубчатые и червячные
колеса, коленчатые, валы, муфты и т. п.).
Ковкий чугун. Графитнзация
происходит не при кристаллизации из расплава происходит из расплава. а
длительным нагревом и высокотемпературнойвыдержкой белого доэвтектического
чугуна (без его расплавления).
Ковкий чугун маркируется буквами КЧТ затем следует дна числа: первое —
предел прочности при растяжении и„р второе -— относительное удлинение 6 (%).
Например, КЧ 35-10 (ферритный чугун), КЧ63-3 (перлитный),
Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном машиностроении, автомобильном и текстильном машиностроении.
Легированные чугуны. Чугчны специального назначения (для работы в
агрессивных средах, в г им числе при высоких температурах) подвергают специальному
легированию хромом, кремнием, никелем. Такие чугуны называют коррозионно-стойкими
(ГОСТ 2176—67 и 2233—70). Легированные чугупы дешевле нержавеющих сталей,
обладают хорошими литейными сбойст, поэтому изделия из них получают экономичными
способами литья.
.Хромистые чугуны содержат 26—36% .хрома, имеют высокую твердость, хорошо
сопротивляются износу, но плохо обрабатываются резанием. Хромистые чугуны
стойки в окислительных средах - азотной кислоте любой концентрации при 20°С и
в 404; в концентрированной серной кислоте и других средах. Окалиностойкость
(жаростойкость) таких чугунов сохраняется до ШОО— ШОаС.
Из хромистых чугуноа изготовляют
детали и аппаратуру для азотной промышленности, производства искусственных
удобрений 'и т. п. Высокая жаростойкость таких чугунов позволяет изготовлять
из них де тал [г печного оборудования (колосники, гребни и лопасти в печах дл*т
обжига и т, п.).
Кремнистые чугуны относятся к
кислотостойким жаростойким сплавам.
Содержание кремния
ограничивается 18%, та как при
более высокой концентрации
кремнистые чугуны
становятся очень хрупкими. При резкой
смене температуры возможно их
растрескивание. Li окислительных
средах на поверхности
изделий из кремнистых чугуном образуется очень прочная защитной пленка
двуоксида кремния SiOj, Такая плёнка способна
восстанавливаться даже при механических повреждениях.
Чтобы повысить стойкость кремнистых чугунов, в них добавляют 3,Г>
4,5% молибдена. Получаемый сплав («антихлор») способен длительно работать даже
в 10—30%-ных растворах соляной кислоты при температурах до 90°С.
Изделия из кремнистых чугунов изготовляются из-за их высокой твердости
только литьем, без последующей механической обработки. В некоторых случаях
допускается только шлифование высокотвердым абразивами (алмазными кругами,
частицами эльбора и т, гт,). Из кремнистых чугунов изготовляют центробежные
насосы для перекачки агрессивных сред, детали распылителей кислот, краны,
котлы, чаны для транспортировки и хранения сильноокисляюших сред.
Никелевые чугуны содержат до 1% никеля. Чем больше никеля, тем выше коррозионная
стойкость чугунок Никелевые чугуны стийки в расплавах солей и в
концентрированных растворах щелочей. Состав никелевых чугунов специального
назначении может быть достаточно сложным. Так, никелькремнистый аустенитный
чугун содержит кроне 16—20% N1 до 3% Сг и 5— 7% Si; никельмедистый чугун
включает в себя 5—12% N1, 3—4% Сг, 5—8% Си, 1—1,5% Si.
Задание № 2
Характеристика термопластических полимеров и пластмасс. Область их применения
1. Характеристика и область применения пластмасс
Среди современных материалов, имеющих большое значение для дальнейшего
технического прогресса и расширения производства самых различных товаров
народного потребления, важное место занимают пластические массы. Они все шире
применяются в различных отраслях промышленности, и особенно в производстве
товаров народного потребления.
Обладая неоспоримыми преимуществами по сравнению с традиционными материалами,
пластические массы постепенно вытесняют из производства металлы, дерево,
стекло, что дает значительную экономию средств и материалов.
Применение новых синтетических материалов стимулирует развитие современной
техники и технологии, способствует созданию новых видов товаров народного
потребления, расширению жилищного строительства и благоустройству бытовых
условий населения.
Пластические массы - это новый и самостоятельный класс материалов, созданных
в текущем столетии и имеющих характерный комплекс свойств.
Пластические массы представляют собой высокомолекулярные соединения
(полимеры) и композиции на их основе, способные при нагревании переходить в
пластическое состояние и принимать под давлением любую желаемую форму. Эта
форма затем сохраняется благодаря понижению температуры или вследствие
химических реакций сшивания, ведущих к образованию трехмерной структуры
полимера. Затвердевание пластмассы является, таким образом, физическим или
химическим процессом.
К пластическим массам относят, как правило, только жесткие, полужесткие и
мягкие пластики. Эластики (резины) рассматривают в специальных курсах. Эластики
и мягкие пластики имеют некоторые сходные свойства, но различаются по величине,
скорости развития и исчезновения обратимых деформаций. Если в эластиках почти
вся деформация является обратимой с большой скоростью релаксации (практически
мгновенно), то у многих пластиков наблюдается значительная доля остаточных
деформаций, а обратимые деформации развиваются и исчезают с замедленной
скоростью.
Первыми пластическими массами были эбонит (1843 г.), целлулоид (1872 г.)
и галалит (1897 г.), созданные на основе химически модифицированных природных
полимеров - натурального каучука, нитроцеллюлозы и белковых веществ. Получение
первых синтетических смол и пластмасс относится к началу текущего столетия. В
начале столетия был освоен выпуск фенопластов, а после первой мировой войны -
аминопластов. В 30-х годах начался промышленный выпуск полистирола,
поливинилхлорида, полиметилметакрилата и др. Создание этих лучших по своим
свойствам синтетических полимеров, получаемых из менее дефицитного сырья,
привело к прекращению выпуска галалита и сокращению производства целлулоида.
Особенно быстро увеличивается производство термопластичных полимеризационных
смол и пластмасс на их основе (поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена и
др.), способных перерабатываться в изделия наиболее прогрессивными методами
(литьем под давлением, экструзией, вакуумным формованием и др.). Применение
таких методов способствует повышению производительности труда и снижению
стоимости изделий из пластмасс. Доля термопластов, перерабатываемых этими
способами, с каждым годом возрастает.
Непрерывное расширение областей применения пластических масс обусловлено
их достоинствами и высокой экономической эффективностью их использования во
всех отраслях народного хозяйства, в том числе для изготовления товаров
народного потребления. Они отличаются разнообразием своих свойств, удобством
технологической переработки в изделия и наличием необходимого сырья. В
настоящее время трудно найти какую-либо группу товаров, в которой не были бы
представлены изделия или отдельные детали, выполненные полностью или частично
из пластических масс.
Изготовление из пластмасс хозяйственных, галантерейных и канцелярских товаров,
а также игрушек стало уже традиционным. Наряду с этим все в большей мере
вырабатываются различные пластмассовые детали для радио- и телевизионной
аппаратуры, стиральных машин, холодильников и других машин, используемых в
быту, а также для электроустановочных изделий. Расширяется производство
искусственных обувных материалов, а также полимерных пленок, имеющих, в
частности, особо важное значение для расширения торговли фасованными товарами.
Тара и упаковка из пластмасс удовлетворяют высоким требованиям с точки зрения
транспортабельности, портативности, стоимости и гигиеничности, дают возможность
значительно сократить потери товаров при их транспортировании, хранении и
реализации, повысить культуру торговли и шире внедрять прогрессивные методы
обслуживания покупателей.
Об экономической эффективности применения пластмасс свидетельствует следующее.
Одна тонна пластмасс, как правило, заменяет несколько тонн металла. В то же
время снижаются энергетические затраты. Так, например, на производство и
переработку пластмасс требуется нефти как энергетического сырья примерно в 5
раз меньше, чем для того же количества алюминия, и в 3 раза меньше, чем для
жести.
Пластические массы обладают комплексом общих свойств, отличающих их от
многих традиционных материалов. Для большинства пластических масс характерны
легкость, разнообразие физико-механических свойств, химическая стойкость, малая
теплопроводность, высокие диэлектрические свойства, хороший внешний вид
изделий.
Некоторые пластмассы имеют высокую прозрачность.
Плотность пластмасс в большинстве случаев колеблется в пределах 0,9-1,5
г/см3, объемная масса специальных видов пластмасс с пористой (пенообразной)
микро- и макроструктурой может достигать 0,1 - 0,02 г/см3. Это позволяет
существенно снизить массу многих изделий и деталей, например, при замене
металлов, стекла и керамики пластмассами. Пористые пластики имеют низкие
величины коэффициентов тепло- и звукопроводности, а поэтому применяются как
тепло- и звукоизоляционные материалы.
Физико-механические свойства пластмасс разнообразны, поэтому из них могут
быть изготовлены как жесткие, упругие, так и гибкие, кожеподобные и
каучукоподобные материалы. Жесткие наполненные и особенно слоистые пластики
имеют высокую механическую прочность, что в сочетании с малой плотностью ставит
их в ряд важных и часто незаменимых конструкционных материалов для многих
непродовольственных товаров.
Существенным преимуществом пластических масс по сравнению, например, с
металлами является высокая стойкость к действию воды и многих химических
реагентов (растворов солей, кислот и щелочей). Поэтому пластмассы широко
применяют для производства бытовых изделий, а также в химическом машиностроении,
в качестве антикоррозионного материала, не требующего специальных защитных
покрытий. Высокой химической стойкостью обладают фторопласты, полиэтилен,
полипропилен, полиизобутилен, полистирол и поливинилхлорид. Из них фторопласт-4
(политетрафторэтилен) отличается исключительно высокой стойкостью к действию
растворителей и химических реагентов: он не растворяется и не набухает ни в
одном из известных растворителей и выдерживает без изменения последовательную
обработку в концентрированных кислотах - серной (24 ч при 290°С), азотной (24 ч
при 100°С) и смеси азотной и соляной кислот ("царской водке" - 24 ч
при 100 С). Такую "жесткую" обработку не могут выдержать даже
благородные металлы.
Готовые изделия из пластмасс, как правило, не требуют декоративных
покрытий, так как имеют обычно гладкую блестящую поверхность, придающую им
красивый внешний вид. Способность многих пластических масс окрашиваться
практически в любой цвет используется как ценный материал в строительстве, для
художественных изделий, а также для имитации слоновой кости, драгоценных
камней, перламутра и др. Коэффициент использования материала при переработке
пластмасс в изделия достигает 0,95-0,98, тогда как у металлов при механической
обработке - 0,2-0,6, при литье - 0,6-0,8. К тому же трудоемкость изготовления
даже самых сложных деталей из пластмасс очень мала по сравнению с трудоемкостью
изготовления изделий из других материалов механической обработкой.
Отдельные пластики, например фторопласт-4, полиакрилаты и кремнийорганические
смолы, имеют высокую теплостойкость (до 300°С и выше).
Обладая отличными диэлектрическими свойствами, пластмассы широко
используют как электроизоляционные материалы. Такие пластики, как полиэтилен,
полистирол и политетрафторэтилен, являются в современной технике наилучшими
диэлектриками. В природе аналогов нет. В то же время, вводя в состав пластмассы
токопроводящие наполнители (графит, сажу, металлические порошки и др.), легко
получают токопроводящие и теплопроводящие пластики.
Некоторые пластики, например полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты
и другие, бесцветны и обладают хорошей прозрачностью. Поэтому их часто называют
органическими стеклами. По пропусканию ультрафиолетовой части светового спектра
они в десятки раз превосходят неорганические (силикатные) стекла.
Наряду с достоинствами пластмассы имеют недостатки. Под действием
кислорода воздуха, влаги, света (в особенности ультрафиолетовых лучей), механических
и термических воздействий пластмассы стареют. В результате постепенно
происходящих процессов окисления и других химических изменений, связанных с
нарушениями структуры полимера, снижается эластичность, повышаются жесткость,
хрупкость и водопоглощаемость пластмасс, появляются трещины, ухудшается внешний
вид изделий. Эти нежелательные явления частично или почти полностью могут быть
устранены путем наиболее рационального выбора состава пластмассы, удаления
вредных примесей, введения небольших добавок стабилизаторов
(противостарителей),
При использовании в условиях повышенной температуры отдельные пластмассы
оказываются недостаточно теплостойкими. Многие из них длительно сохраняют
твердость и форму изделий лишь при температуре ниже 100°С, хотя для большинства
бытовых изделий такая теплостойкость вполне достаточна. Недостатками пластмасс
являются также большой коэффициент термического расширения, сильная
электризуемость, у некоторых - невысокие гигиенические свойства, недостаточная
твердость, проявление хладотекучести, повышенная горючесть. Эти особенности
надо знать и учитывать при выборе пластмассы для конкретных условий
использования изделий.
2. Характеристика и область применения полимеров
Полимеры - химические соединения с высокой мол. массой (от
нескольких тысяч до многих миллионов), молекулы которых (макромолекулы) состоят
из большого числа повторяющихся группировок (мономерных звеньев). Атомы,
входящие в состав макромолекул, соединены друг с другом силами главных и (или)
координационных валентностей.
По происхождению полимеры делятся на природные (биополимеры), например
белки, нуклеиновые кислоты, смолы природные, и синтетические, например
полиэтилен, полипропилен, феноло-формальдегидные смолы. Атомы или атомные
группы могут располагаться в макромолекуле в виде: открытой цепи или вытянутой
в линию последовательности циклов (линейные полимеры, например каучук
натуральный); цепи с разветвлением (разветвленные полимеры, например
амилопектин), трехмерной сетки (сшитые полимеры, например отверждённые
эпоксидные смолы). Полимеры, молекулы которых состоят из одинаковых мономерных
звеньев, называются гомополимерами (например поливинилхлорид, поликапроамид,
целлюлоза).
Макромолекулы одного и того же химического состава могут быть построены
из звеньев различной пространственной конфигурации. Если макромолекулы состоят
из одинаковых стереоизомеров или из различных стереоизомеров, чередующихся в
цепи в определенной периодичности, полимеры называются стереорегулярными.
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов мономерных
звеньев, называются сополимерами. Сополимеры, в которых звенья каждого типа
образуют достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг
друга в пределах макромолекулы, называются блоксополимерами. К внутренним
(неконцевым) звеньям макромолекулы одного химического строения могут быть
присоединены одна или несколько цепей другого строения. Такие сополимеры
называются привитыми.
Полимеры, в которых каждый или некоторые стереоизомеры звена образуют
достаточно длинные непрерывные последовательности, сменяющие друг друга в
пределах одной макромолекулы, называются стереоблоксополимерами.
В зависимости от состава
основной (главной) цепи полимеры, делят на: гетероцепные, в основной цепи
которых содержатся атомы различных элементов, чаще всего углерода, азота,
кремния, фосфора, и гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых
атомов. Из гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные полимеры,
главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат,
политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат,
поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые
кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с
углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, называются
элементоорганическими. Отдельную группу полимеров образуют
неорганические полимеры, например пластическая сера, полифосфонитрилхлорид.
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и
механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать
высокопрочные анизотропные высокоориентированные волокна и пленки ,
способность к большим, длительно развивающимся обратимым деформациям;
способность в высокоэластичном состоянии набухать перед растворением; высокая
вязкость растворов. Этот комплекс свойств обусловлен высокой
молекулярной массой, цепным строением, а также гибкостью макромолекул. При
переходе от линейных цепей к разветвленным, редким трехмерным сеткам и,
наконец, к густым сетчатым структурам этот комплекс свойств становится всё
менее выраженным. Сильно сшитые полимеры нерастворимы, неплавки и неспособны к
высокоэластичным деформациям.
Полимеры могут существовать в
кристаллическом и аморфном состояниях. Необходимое условие кристаллизации -
регулярность достаточно длинных участков макромолекулы. В кристаллических
полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур
(фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства
полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных
(аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических.
Незакристаллизованные полимеры
могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном
и вязкотекучем. Полимеры с низкой (ниже комнатной) температурой перехода из
стеклообразного в высокоэластичное состояние называются эластомерами, с высокой
- пластиками. В зависимости от химического состава, строения и взаимного
расположения макромолекул свойства полимеры могут меняться в очень широких
пределах. Так, 1,4.-цисполибутадиен, построенный из гибких углеводородных
цепей, при температуре около 20 °С - эластичный материал, который при температуре
-60 °С переходит в стеклообразное состояние; полиметилметакрилат, построенный
из более жестких цепей, при температуре около 20 °С - твердый стеклообразный
продукт, переходящий в высокоэластичное состояние лишь при 100 °С. Целлюлоза -
полимер с очень жесткими цепями, соединенными межмолекулярными водородными
связями, вообще не может существовать в высокоэластичном состоянии до
температуры ее разложения. Большие
различия в свойствах полимеров могут наблюдаться даже в том случае, если
различия в строении макромолекул на первый взгляд и невелики. Так, стереорегулярный
полистирол - кристаллическое вещество с температурой плавления около 235 °С, а
нестереорегулярный вообще не способен кристаллизоваться и размягчается при
температуре около 80 °С.
Полимеры могут вступать в следующие основные типы реакций: образование
химических связей между макромолекулами (так называемое сшивание), например при
вулканизации каучуков, дублении кожи; распад макромолекул на отдельные, более
короткие фрагменты, реакции боковых функциональных групп полимеров с
низкомолекулярными веществами, не затрагивающие основную цепь (так называемые полимераналогичные
превращения); внутримолекулярные реакции, протекающие между функциональными
группами одной макромолекулы, например внутримолекулярная циклизация. Сшивание
часто протекает одновременно с деструкцией. Примером полимераналогичных превращений
может служить омыление поливтилацетата, приводящее к образованию поливинилового
спирта. Скорость реакций полимеров с низкомолекулярными веществами часто
лимитируется скоростью диффузии последних в фазу полимера. Наиболее явно это
проявляется в случае сшитых полимеров. Скорость взаимодействия макромолекул с
низкомолекулярными веществами часто существенно зависит от природы и
расположения соседних звеньев относительно реагирующего звена. Это же относится
и к внутримолекулярным реакциям между функциональными группами, принадлежащими
одной цепи.
Некоторые свойства полимеров,
например растворимость, способность к вязкому течению, стабильность, очень
чувствительны к действию небольших количеств примесей или добавок, реагирующих
с макромолекулами. Так, чтобы превратить линейный полимер из растворимого в
полностью нерастворимый, достаточно образовать на одну макромолекулу 1-2
поперечные связи.
Важнейшие характеристики
полимеров - химический состав, молекулярная масса и молекулярно-массовое
распределение, степень разветвленности и гибкости макромолекул,
стереорегулярность и другие. Свойства полимеров существенно зависят от этих
характеристик.
Полимерам стали доверять все более и более ответственные задачи. Из
полимеров стали изготавливать все больше относительно мелких, но конструктивно
сложных и ответственных деталей машин и механизмов, и в то же время все чаще
полимеры стали применяться в изготовлении крупногабаритных корпусных деталей
машин и механизмов, несущих значительные нагрузки. Ниже будет подробнее
рассказано о применении полимеров в автомобильной и авиационной промышленности,
здесь же упомянем лишь один примечательный факт: несколько лет назад по Москве
ходил цельнопластмассовый трамвай. А вот другой факт: четверть всех мелких
судов - катеров, шлюпок, лодок - теперь строится из пластических масс.
До недавних пор широкому
использованию полимерных материалов в машиностроении препятствовали два,
казалось бы, общепризнанных недостатка полимеров: их низкая (по сравнению с
марочными сталями) прочность и низкая теплостойкость. Рубеж прочностных свойств
полимерных материалов удалось преодолеть переходом к композиционным материалам,
главным образом стекло и углепластикам. Так что теперь выражение “пластмасса
прочнее стали” звучит вполне обоснованно. В то же время полимеры сохранили свои
позиции при массовом изготовлении огромного числа тех деталей, от которых не
требуется особенно высокая прочность: заглушек, штуцеров, колпачков, рукояток,
шкал и корпусов измерительных приборов. Еще одна область, специфическая именно
для полимеров, где четче всего проявляются их
преимущества перед любыми иными материалами, - это область внутренней и внешней
отделки.
То же самое можно сказать и о машиностроении. Почти три четверти
внутренней отделки салонов легковых автомобилей, автобусов, самолетов, речных и
морских судов и пассажирских вагонов выполняется ныне из декоративных
пластиков, синтетических пленок, тканей, искусственной кожи. Более того, для
многих машин и аппаратов только использование антикоррозионной отделки
синтетическими материалами обеспечило их надежную, долговременную эксплуатацию.
К примеру, многократное использование изделия в экстремальных
физико-технических условиях (космосе) обеспечивается, в частности, тем, что вся
его внешняя поверхность покрыта синтетическими плитками, к тому же приклеенными
синтетическим полиуретановым или полиэпоксидным клеем. А аппараты для
химического производства? У них внутри бывают такие агрессивные среды, что
никакая марочная сталь не выдержала бы. Единственный выход - сделать внутреннюю
облицовку из платины или из пленки фторопласта. Гальванические ванны могут
работать только при условии, что они сами и конструкции подвески покрыты
синтетическими смолами и пластиками.
Широко применяются полимерные
материалы и в такой отрасли народного хозяйства, как приборостроение. Здесь
получен самый высокий экономический эффект в среднем в 1,5-2,0 раза выше, чем в
других отраслях машиностроения. Объясняется это, в частности тем что большая
часть полимеров перерабатывается в приборостроении самыми прогрессивными
способами что повышает уровень полезного использования (и безотходность отходность)
термопластов, увеличивает коэффициент замены дорогостоящих материалов. Наряду с
этим значительно снижаются затраты живого труда. Простейшим и весьма
убедительным примером может служить изготовление печатных схем: процесс, не
мыслимый без полимерных материалов, а с ними и полностью автоматизированный.
Есть и другие подотрасли, где
использование полимерных материалов обеспечивает и экономию материальных и
энергетических ресурсов, и рост производительности труда. Почти полную
автоматизацию обеспечило применение полимеров в производстве тормозных систем
для транспорта. Неспроста практически все функциональные детали тормозных
систем для автомобилей и около 45% для железнодорожного подвижного состава
делаются из синтетических пресс-материалов. Около 50% деталей вращения и зубчатых
колес
изготовляется из прочных конструкционных полимеров. В последнем случае можно
отметить две различных тенденции. С одной стороны, все чаще появляются
сообщения об изготовлении зубчатых колес для тракторов из капрона. Обрывки
отслуживших свое рыболовных сетей, старые чулки и путанку капроновых волокон
переплавляют и формуют в шестерни. Эти шестерни могут работать почти без износа
в контакте со стальными, вдобавок такая система не нуждается в смазке и почти
бесшумна. Другая тенденция - полная замена металлических деталей в редукторах
на детали из углепластиков. У них тоже отмечается резкое снижение механических
потерь, долговременность срока службы.
Еще одна область применения
полимерных материалов в машиностроении, достойная отдельного упоминания, -
изготовление металлорежущего инструмента. По мере расширения использования
прочных сталей н сплавов все более жесткие требования предъявляются к
обрабатывающему инструменту. И здесь тоже на выручку инструментальщику и
станочнику приходят пластмассы. Но не совсем обычные пластмассы сверхвысокой
твердости, такие, которые смеют поспорить даже с алмазом. Король твердости,
алмаз, еще не свергнут со своего трона, но дело идет к тому. Некоторые окислы
(например из рода фианитов), нитриды, карбиды, уже сегодня демонстрируют не меньшую
твердость, да к тому же и большую термостойкость. Вся беда в том, что они пока
еще более дороги, чем природные и синтетические алмазы, да к тому же им
свойствен “королевский порок” - они в большинстве своем хрупки. Вот и
приходится, чтобы удержать их от растрескивания, каждое зернышко такого
абразива окружать полимерной упаковкой чаще всего из фенолформальдегидных смол.
Поэтому сегодня три четверти абразивного инструмента выпускается с применением
синтетических смол.
Таковы лишь некоторые примеры н
основные тенденции внедрения полимерных материалов в подотрасли машиностроения.
Самое же первое место по темпам роста применения пластических масс среди других
подотраслей занимает сейчас автомобильная промышленность. Десять лет назад в
автомашинах использовали от 7 до 12 видов различных пластиков, к концу 70-х
годов это число перешагнуло за 30. С точки зрения химической структуры, как и
следовало ожидать, первые места по объему занимают стирольные пластики, поливинилхлорид
и полиолефины. Пока еще немного уступают им, но активно догоняют полиуретаны,
полиэфиры, акрилаты и другие полимеры. Перечень деталей автомобиля, которые в
тех или иных моделях в наши дни из
готовляют из полимеров, занял бы не одну страницу. Кузова и кабины, инструменты
и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги,
сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже
объявили о начале производства цельнопластмассовых автомобилей. Наиболее
характерные тенденции в применении пластмасс для автомобилестроения, в общем,
те же, что и в других подотраслях. Во-первых, это экономия материалов:
безотходное или малоотходное формование больших блоков и узлов. Во-вторых,
благодаря использованию легких и облегченных полимерных материалов снижается
общий вес автомобиля, а значит, будет экономиться горючее при его эксплуатации.
В-третьих, выполненные как единое целое, блоки пластмассовых деталей
существенно упрощают сборку и позволяют экономить живой труд.
Кстати, те же преимущества
стимулируют и широкое применение полимерных материалов в авиационной
промышленности. Например, замена алюминиевого сплава графитопластиком при
изготовлении предкрылка крыла самолета позволяет сократить количество деталей с
47 до 14, крепежа - с 1464 до 8 болтов, снизить вес на 22%, стоимость - на 25%.
При этом запас прочности изделия составляет 178%. Лопасти вертолета, лопатки
вентиляторов реактивных двигателей рекомендуют изготовлять из поликонденсационных
смол, наполненных алюмосиликатными волокнами, что позволяет снизить вес
самолета при сохранении прочности и надежности. По английскому патенту №
2047188 покрытие несущих поверхностей самолетов или лопастей роторов вертолетов
слоем полиуретана толщиной всего 0,65 мм в 1,5-2 раза повышает их стойкость к
дождевой эрозии. Жесткие требования были поставлены перед конструкторами
первого англо-французского сверхзвукового пассажирского самолета “Конкорд”.
Было рассчитано, что от трения об атмосферу внешняя поверхность самолета будет
разогреваться до 120-150° С, и в то же время требовалось, чтобы она не
поддавалась эрозии в течение по меньшей мере 20000 часов. Решение проблемы было
найдено с помощью поверхностного покрытия защиты самолета тончайшей пленкой
фторопласта.
Задание № 3
УСЛОВИЕ ЗАДАНИЯ
Определите чистую массу детали, если известно, что норма расхода равна 10
кг, а расходный коэффициент – 126 %.
РЕШЕНИЕ
Плановый расходный коэффициент
определяется:
Крп = Мн / Qч, (1)
Где Мн -
норма расхода материала
Q ч- чистая масса изделия,
кг
Отсюда,
Q ч =
Мн / Крп, (2)
Q x = 10/1.26 = 7.94 (кг)
ОТВЕТ
Чистая масса изделия равна 7,94 кг
Список литературы
1)
Геллер Ю.А. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989.
– 455 с.
2)
Гуляев А.П. Металловедение. –М. : Металлургия, 1986. –
544 с.
3)
Козлов Ю.С. Материаловедение. – М.: Агар, 1999. – 180
с.
4)
Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: Машиностроение,
1993. – 448 с.
5)
Материаловедение: Учеб. для вузов/ Под ред. Арзамасова
Б.Н., Мухина Б.Н. – М.: МГТУ им. Баумана Н.Э, 2001. – 646 с.