Реферат: Технология конструкционных материалов

МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОУ«ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

КОНТРОЛЬНАЯРАБОТА

ПОТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Калуга,2007г.

Стеклообразныеи металлокерамические материалы. Стеклообразные материалы

Основной разновидностьюаморфного состояния веществ в природе является стеклообразное состояние. Этотвердое, однородное, хрупкое, в той или иной степени прозрачное тело сраковистым изломом. По своей структуре стеклообразное состояние занимаетпромежуточное положение между кристаллическими веществами и жидкими. С давнихпор стекло и стеклоподобные материалы нашли применение в нашей жизни.

«Стеклом называются всеаморфные тела, получаемые путем переохлаждения расплава независимо от ихсостава и температурной области затвердевания и обладающие в результатепостепенного увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причемпроцесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратимым».

Другой класс материалов,–это стеклообразные, или аморфные, материалы. Атомы в таких материалахрасполагаются в общем так же, как и в жидкостях, т.е. они упорядочены лишь впределах нескольких межатомных расстояний от каждого атома, принятого зацентральный. Иначе говоря, для стекол характерен ближний порядок в расположенииатомов, а не дальний, как в кристаллической структуре.

Стеклянное волокно

Стеклянным волокном (СВ)называют искусственное волокно, изготовляемое различными способами израсплавленного стекла.

Стеклянные волокнаразличного химического состава обладают ценными свойствами — негорючестью,стойкостью к коррозии, высокой прочностью, сравнительно малой плотностью,высокими оптическими, диэлектрическими и теплофизическими свойствами, чтопозволяет их применять в различных областях техники, главным образом, дляизготовления текстильных материалов и изделий (нитей, жгутов, лент, и нетканыхматериалов). Штапельные СВ в процессе их получения формируют в виде ваты, матови холстов, скрепляемых органическими и неорганическими связующими.

Материалы из непрерывныхи штапельных стеклянных волокон широко используются в электротехническойпромышленности, машиностроении, химической промышленности, строительстве идругих отраслях народного хозяйства. Большую часть изделий из непрерывныхстеклянных волокон применяют в качестве армирующих материалов: стеклотканей,стеклопластиков, композитов и стеклоцемента при изготовлении электроизоляции,коррозионно-стойких трубопроводов и емкостей — в химической, автомобильнойпромышленности, строительстве, железнодорожном транспорте, судостроении,авиационной, космической технике и др.

Материалы из штапельноговолокна используют для теплозвуко-электроизоляции, фильтрации химическиагрессивных сред и др.

Стеклообразные материалыиспользуются в различных областях техники, в том числе в волоконной оптике.Поэтому их структура, оптические и электрические свойства широко исследоваласьразличными методами. Но, тем не менее, до сих пор нет чёткогокристаллографического представления об атомистической структуре стёкла. Тоесть, хотя все употребляют слова аморфное и стеклообразное, но нет чёткогоструктурного представления о кристаллической структуре стекла.

Все вещества, находящиесяв стеклообразном состоянии обладают несколькими общими физико-химическимихарактеристиками. Типичные стеклообразные тела:

1. изотропны, т.е.свойства их одинаковы во всех направлениях;

2. при нагревании неплавятся, как кристаллы, а постепенно размягчаются, переходя из хрупкого втягучее, высоковязкое и, наконец, в капельножидкое состояние, причем не тольковязкость, но и другие свойства их изменяются непрерывно;

расплавляются иотвердевают обратимо. То есть выдерживают неоднократный разогрев дорасплавленного состояния, а после охлаждения по одинаковым режимам, вновьприобретают первоначальные свойства (если не произойдет кристаллизация илиликвация).

 Перечислим важнейшие свойствастекла:

 1. Свойстваразмягченного и расплавленного стекла:

 Вязкость: свойство жидкостейоказывать сопротивление перемещению одной части жидкости другой.

 Плавкость: практическая величина,характеризующая скорость

 размягчения стекла ирастекания вязкого расплава по твердой поверхности при различных температурах. Плавкостьпредставляет собой сложную функцию вязкости, поверхностной энергии на границах фаз,кристаллизационной способности, температуры начала кристаллизации и плотностисостава.

 Смачивающая способность:способность расплава по отношению к различным твердым поверхностям смаивать их,и характеризуется краевым углом смачивания и краевым углом растекания иоттекания.

 2. Оптические свойствастекла.

 Показатель преломления идисперсия: способность стекла преломлять падающий на него свет принято характеризоватьпосредством показателя преломления для желтого луча, испускаемого накаленными параминатрия, либо светящимся гейслеровской трубке гелием. Разница между этимивеличинами ничтожна, так как длины волн весьма близки.

 3. Механическиесвойства.

 Упругость: свойствотвердого тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращениядействия нагрузки.

 Внутреннее трение:Стеклообразные системы, как и другие тела, обладают способностью поглощатьмеханические, в частности, звуковые и ультразвуковые колебания. Затуханиеколебаний зависит от состава неоднородностей в стекле, и объясняется внутреннимтрением. Внутреннее трение силикатного стекла обусловлено собственнымиколебаниями.

 5) Термические свойства.

 Термические свойствасиликатных систем являются важнейшими свойствами как при изучении так и приизготовлении керамических и стеклянных изделий.

Главными из термических свойствстекла и стеклоподобных систем можно назвать — термическое расширение стекла,теплопроводность и термостойкость.

 6) Химическая устойчивость.

 Высокая химическаяустойчивость по отношению к различным агрессивным средам — одно из очень важныхсвойств стекол.

Металлокерамическиематериалы

Металлокерамическиематериалы получаются прессованием деталей из соответствующих смесей порошков встальных прессформах под давлением 1000 — 6000 кг/см2 с последующим спеканиемспрессованных полуфабрикатов при температуре ниже точки плавления основногокомпонента сплава.

Указанным методомполучаются пористые изделия.

Размеры прессованныхзаготовок после спекания несколько изменяются.

Виды:

1. контактные материалы(вольфрам — медь, вольфрам — серебро, молибден — серебро, серебро—графит,серебро —окись кадмия и др.

2. магнитные материалы(железо — пластические композиции для сердечников пупинов-ских катушек,карбонильное железо высокой чистоты, постоянные магниты высокой подъёмной силыиз сплавов железа с алюминием, никелем, кобальтом и т.

3. другиеметаллокерамические материалы (прутки и проволока из медных порошков,компактные материалы из порошков карбонильного железа, сварочные электроды,металлокерамические припои и др.).

4. твёрдые сплавы

Металлокерамическиеантифрикционные материалы разделяются на три группы: а) пористые подшипники, б) компактныеметаллокерамические антифрикционные материалы, в) антифрикционные материалы снеметаллическими составляющими.

Химический составпористых металлокерамических антифрикционных материалов выбирается взависимости от условий работы подшипника и технологического процесса.

Область примененияпористых подшипников.

Пористые подшипники могутприменяться взамен бронзовых подшипников скольжения и шарикоподшипников дляработы при pv до 70 кгм1слРсс.

Подъёмно-транспортноемашиностроение. Эскалаторы метрополитена, ролики угольных транспортёров, каткимостовых кранов и др.

Прочие отраслипромышленности. Вспомогательные устройства двигателя дизеля, киноаппаратура,звуковые протекторы, патефоны, вентиляторы, сепараторы для шарикоподшипников идр.

Компактные (непористые)металлокерамические антифрикционные материалы.

Применяемые в Англии иСША непористые антифрикционные металлокерамические материалы можно разбить натри группы:

 а) материалы,изготовляемые из дроблёной и декарбюризованной стальной стружки прессованием,спеканием и последующей горячей штамповкой;

 б) металлокерамическиематериалы из свинцовистой бронзы, применяемые в виде втулок, биметаллическихвкладышей и ленты (металлокерамический слой на стальной основе);

в) трёхслойный материал,состоящий из стальной ленты, на которую напрессовываются порошки меди и никеля.

Толщинаметаллокерамического слоя — около 0,5 мм.

После спекания поры этогослоя заполняются расплавленным свинцовистым баббитом (под вакуумом), которыйобразует также поверхностный слой (толщиной 0,02 — 0,075 мм).

Металлокерамическиефрикционные материалы

Основными компонентамиметаллокерамических фрикционных материалов являются медь, олово, свинец играфит.

Ряд сплавов содержиттакже железо, кремний и цинк.

Вследствие невысокогосопротивления разрыву и срезу металлокерамические фрикционные материалы наносятсяна стальную основу (диск или ленту) тонким слоем толщиной от 0,25 до 8—10 мм ииногда до 6 мм.

Металлокерамическиефрикционные материалы обладают высокими эксплуатационными свойствами,износоустойчивостью и коррозионной стойкостью.

Они могут работать привысоких температурах (в некоторых случаях нагрев при торможении доходит до 540°С) и высоких давлениях (до 70 кг/см2).

Применяются в качествефрикционных прокладок для тормозных дисков, лент и колодок на самолётах итанках.

Чугуны

Чугуны — это железоуглеродистые сплавы,содержащие более 2 % углерода и затвердевающие с образованием эвтектики. Вотличие от стали чугуны обладают низкой пластичностью. Однако, благодарявысоким литейным свойствам, достаточной прочности и относительной дешевизне,чугуны нашли широкое применение в машиностроении.

Чугуны выплавляют вдоменных печах, вагранках и электропечах. Выплавляемые в доменных печах чугуныбывают передельными, специальными (ферросплавы) и литейными. Передельные испециальные чугуны используются для последующей выплавки стали и чугуна. Ввагранках и электропечах переплавляют литейные чугуны. Около 20 % всехвыплавляемых чугунов используют для изготовления отливок.

 Чугуны прикристаллизации и дальнейшем охлаждении могут вести себя по-разному: либо всоответствии с метастабильной диаграммой состояний Fe—Fe3C (белые чугуны, вкоторых углерод присутствует в виде Fe3C), либо в соответствии со стабильнойдиаграммой Fe—C (серые чугуны, в которых углерод присутствует в виде графита).

Графитизация чугунов

Графитизацией называетсяпроцесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графитможет образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердойфазы.

Графитизация чугуна и ееполнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центровграфитизации.

В зависимости от степениграфитизации различают чугуны белые, серые и половинчатые.

Белые чугуны — получаются при ускоренномохлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1 147 °С, когда в силуструктурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильнаяфаза Fe3C, а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe3C,отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываютсярезанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, аиспользуются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига.

Серые чугуны — образуются только при малыхскоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степеньпереохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая частьграфитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в видецементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические ипрочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционногоматериала.

Половинчатые чугуны — занимают промежуточное положениемежду белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8%) находится в виде Fe3C. Чугун имеет структуру перлита, ледебурита ипластинчатого графита.

Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si,0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние награфитизацию оказывает кремний. Меняя содержание кремния, можно получать чугуныс различной структурой и свойствами.

Марганец препятствуетграфитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вреднойпримесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того,сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей,увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет награфитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серогочугуна за счет образования легкоплавкой (950–980) ° С фосфидной эвтектики.

Таким образом, регулируяхимический состав и скорость охлаждения можно получать в отливках нужнуюструктуру чугуна.

Классификация серыхчугунов

Серый чугун можнорассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы сграфитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основыи характера графитных включений.

Металлическая основаможет быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальнойуглерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в видецементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в видеграфита.

В зависимости от формыграфитных включений серые чугуны классифицируются на:

чугун с пластинчатымграфитом;

чугун с хлопьевиднымграфитом (ковкий чугун);

3. чугун с шаровиднымграфитом (высокопрочный чугун);

4. чугун с вермикулярнымграфитом.

По сравнению сметаллической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитовыевключения можно считать нарушениями сплошности (пустотами) в металлическойоснове, и чугун можно рассматривать, как сталь, пронизанную включениямиграфита, ослабляющими его металлическую основу. Вместе с тем наличие графитаопределяет и ряд преимуществ чугуна: хорошая жидкотекучесть и малая усадка;хорошая обрабатываемость резанием (графит делает стружку ломкой); высокиедемпфирующие свойства; антифрикционные свойства и др.

В отдельную группу приклассификации выделены чугуны со специальными свойствами. Как правило, этичугуны легированные и делятся по назначению на следующие виды: антифрикционные,износостойкие, жаростойкие, коррозионностойкие, жаропрочные.

Марки, свойства иприменение чугунов.

Чугун с пластинчатымграфитом для отливок.

На долю серого чугуна спластинчатым графитом приходится около 80 % общего производства чугунныхотливок.

Пластины графита сострыми краями уменьшают живое сечение металлической матрицы и, главное,являются внутренними концентраторами напряжений, способствующими зарождению иразвитию трещин. Коэффициент концентраций растягивающих напряжений околопластин графита достигает 7,5. Пластины графита сильно снижают прочность ипластичность чугуна при растяжении. Относительное удлинение серых чугунов спластинчатым графитом, как правило, не превышает 0,5–1,0 % и стандартом негарантируется. На прочность при сжатии включения графита влияют значительнослабее, поэтому чугун особенно выгодно использовать для изготовления деталей,работающих на сжатие.

Наличие большогоколичества внутренних концентраторов напряжений в виде пластин графита делаетсерый чугун малочувствительным к внешним концентраторам напряжений: резкимпереходам между сечениями отливки, надрезам, выточкам, царапинам и другимнеровностям поверхности отливки.

Серый чугун спластинчатым графитом маркируют буквами СЧ. По требованию потребителя дляизготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24.

Снижение прочности сувеличением Сэ обусловлено большой полнотой графитизации, образованием болеекрупных включений графита и уменьшением доли перлита (увеличением долиферрита). Чугун СЧ 10 имеет ферритную основу, а чугун СЧ 35 — перлитную.

Поскольку строение чугуназависит не только от его химического состава, но и от условий плавки и литья,то эти условия также влияют на механические свойства чугуна. С ускорениемохлаждения мельче становятся включения графита, уменьшается его количество, увеличиваетсядоля перлита и уменьшается межпластиночное расстояние в перлите. Все этифакторы приводят к повышению прочности и твердости при заданном химическомсоставе чугуна.

Графит делает стружкуломкой, благодаря чему серый чугун хорошо обрабатывается резанием. Лучшимилитейными свойствами (большой жидкотекучестью, меньшей усадкой из-за увеличенияудельного объема при образовании графита) обладают чугуны низких марок (СЧ 10,СЧ 15). Но все же наиболее широко в машиностроении используют более прочныечугуны марок СЧ 20–СЧ 35.

Основные областиприменения серого чугуна — станкостроение и тяжелое машиностроение (станиныстанков, разнообразные корпусные детали), автомобильная промышленность исельскохозяйственное машиностроение, санитарно-техническое оборудование(отопительные радиаторы, трубы, ванны) и др.

Чугун с шаровиднымграфитом для отливок.

При введении в чугунперед разливкой » 0,5 % магния или церия графит кристаллизуется в шаровиднойили близкой к нему форме. Этот процесс называется модифицированием. Шаровидныйграфит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлическойматрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений. Этообстоятельство в сочетании с возможностью формировать необходимую структуруметаллической матрицы позволяет придавать чугунам высокую прочность,пластичность и повышенную ударную вязкость.

Чугуны с шаровиднымграфитом, используемые в промышленности с 40-х годов, называют высокопрочнымии, в соответствии с ГОСТ 7293–85, маркируются буквами ВЧ, за которыми следуетчисло, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа ·10–1 (например ВЧ 50).

Высокопрочные чугуны сшаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственногоназначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов ипрессов). По сравнению со сталью они обладают несравненно более высокимилитейными свойствами и на 8–10 % меньшей плотностью (последнее позволяетснизить массу машин). Даже поковки ответственного назначения из легированныхсталей можно заменять на отливки из высокопрочного чугуна с шаровиднымграфитом. Классический пример этого — тяжелонагруженные коленчатые валыдизельных, в том числе автомобильных двигателей, к которым предъявляют высокиетребования по статической и усталостной прочности.

Высокопрочный чугуниспользуют и для замены серого чугуна с пластинчатым графитом, если необходимоувеличить срок службы изделия или снизить массу.